大跨預(yù)應(yīng)力鋼箱梁天橋設(shè)計在城市建設(shè)中的應(yīng)用

張魯明，王利偉，岳章勝

（青島市市政工程設(shè)計研究院有限責任公司,山東 青島 226061）

大跨預(yù)應(yīng)力鋼箱梁天橋設(shè)計在城市建設(shè)中的應(yīng)用

張魯明，王利偉，岳章勝

（青島市市政工程設(shè)計研究院有限責任公司,山東 青島 226061）

從鋼箱梁天橋結(jié)構(gòu)設(shè)計、基頻控制等方面闡述了鋼箱梁人行天橋設(shè)計時需要注意的幾個問題，將預(yù)應(yīng)力技術(shù)引入到大跨鋼箱梁天橋設(shè)計當中，采用桁架單元溫度驟降法施加預(yù)應(yīng)力，分析鋼箱梁結(jié)構(gòu)性能，并在港工建設(shè)工程上得到了應(yīng)用。

鋼箱梁；人行天橋；基頻；預(yù)應(yīng)力

0 引言

隨著城市道路越來越寬，中央隔離綠化帶中城市管線布置復(fù)雜，后期遷改難度較大，人行天橋的單孔跨徑不斷增大，對大跨徑人行天橋的需求越來越多。鋼橋跨越能力強，道路中間可不設(shè)中間墩，視野通透，在工程中被廣泛采用。將預(yù)應(yīng)力技術(shù)引入鋼結(jié)構(gòu)，不僅可以改善結(jié)構(gòu)的靜力性能，還可以改善其動力性能。預(yù)應(yīng)力簡支鋼箱梁橋是在鋼箱梁內(nèi)設(shè)置體外無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力索而形成的索梁共同受力的組合梁橋[1]。本文分析了預(yù)應(yīng)力簡支鋼箱梁的結(jié)構(gòu)性能和固有頻率。

1 基頻計算

1.1人行荷載特點及設(shè)計規(guī)范

研究表明亞洲人的正常行走頻率介于1.6 Hz和2.4 Hz之間，因此，人行豎向激勵的傅立葉級數(shù)基頻大約是2 Hz，其他主要成分有4 Hz、6 Hz和8 Hz。理論上，當人行橋的自振頻率落在人行激勵基頻（2 Hz）或高階頻率（4 Hz，6 Hz，8 Hz）附近時，人行橋就可能發(fā)生共振，因此我國《城市人行天橋與人行地道技術(shù)規(guī)范》[3]規(guī)定，天橋上部結(jié)構(gòu)豎向自振頻率不小于3 Hz。

各國規(guī)范對于人行天橋自振頻率的規(guī)定也有所不同。CEB（1993）和SIA160（1989）建議設(shè)計時應(yīng)盡量避免使人行橋的豎向振動固有頻率落在1.6～2.4 Hz之間，對低阻尼結(jié)構(gòu)還應(yīng)避免落入3.5～4.5 Hz的范圍內(nèi)；日本規(guī)范要求豎向振動固有頻率不應(yīng)該落在 1.5～2.3 Hz范圍之內(nèi)；美國AASHTO規(guī)范和我國規(guī)范都要求豎向振動基頻應(yīng)大于3 Hz。

1.2 預(yù)應(yīng)力鋼箱梁的自振頻率

大跨預(yù)應(yīng)力鋼箱梁動力特性影響因素較多，自振頻率計算時需做了以下假定[4]：

（1）預(yù)應(yīng)力簡支鋼箱梁符合平截面假定。

（2）梁的剪切和軸向變形忽略不計。

（3）預(yù)應(yīng)力鋼索與鋼套管的摩擦忽略不計。

（4）梁的振動為無阻尼的彈性體振動。

自振頻率計算：

曲線型布索的預(yù)應(yīng)力簡支鋼箱梁模型[2]，如圖1所示。

圖1 曲線型布索的預(yù)應(yīng)力簡支鋼箱梁模型

建立鋼箱梁的力學模型如圖2所示。

圖2 曲線型布索的預(yù)應(yīng)力簡支鋼箱梁的受力

式（1）中：N0ph為預(yù)加力Np的水平分量初始值。

2 工程應(yīng)用

2.1 工程概況

本工程為某港口散貨碼頭工程的一部分，下部海洋平臺根據(jù)工藝要求已經(jīng)設(shè)計并施工完成，因此人行橋的跨徑被限定，分別為49.7 m、53 m、56 m和60 m四種。上部結(jié)構(gòu)采用的主要材料包括：

（1）鋼材：人行橋鋼箱梁均采用Q345D鋼材，搭接鋼橋及部分輔助性鋼材（鋼梯等）采用Q235B鋼，抗拉錨栓采用R235鋼加工；

（2）預(yù)應(yīng)力鋼絞線及錨具：體外預(yù)應(yīng)力束采用環(huán)氧噴涂無粘結(jié)成品索外包HDPE，紡錘形轉(zhuǎn)向器，TSK型錨具。

2.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計

4座人行橋的主橋結(jié)構(gòu)計算采用桿系有限元模型，其中體外預(yù)應(yīng)力采用桁架單元模擬，桁架單元與梁單元通過豎向剛度無限大的豎向彈簧單元模擬，為模擬體外預(yù)應(yīng)力的受力特性，模擬預(yù)應(yīng)力鋼絞線的桁架單元在轉(zhuǎn)向點處與鋼結(jié)構(gòu)梁單元節(jié)點采用剛性連接，以達到限制縱向位移的目的。如圖3、圖4所示。人行天橋結(jié)構(gòu)各構(gòu)件尺寸見表1。

圖3 人行鋼橋有限元圖

圖4 人行鋼橋箱梁斷面布置圖（單位：mm）

表1 人行鋼橋截面各板件尺寸

2.3 設(shè)計荷載

主橋結(jié)構(gòu)靜力計算包括施工階段和運營階段分析，施工階段荷載包括一期恒載，預(yù)應(yīng)力張拉，二期恒載；運營階段荷載有人群荷載和風荷載按最不利效應(yīng)進行組合。

各項荷載計算如下：

一期恒載：由軟件自動計入，橫隔板自重按集中荷載作用在節(jié)點上。

二期恒載：包括橋面聚氨脂橡膠鋪裝及護欄，按5 kN/m計；

人群荷載：橋面寬3.2 m，人群荷載標準按3.5 kN/m2，取11.2 kN/m；

風荷載：根據(jù)《公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范》（JTG D60-2015），橫縱橋向風荷載假定水平地垂直作用于橋梁各部分迎風面積的形心上，標準值按式（2）至式（5）計算。

V10取為35.2 m/s，較為保守地認為系梁處對應(yīng)Z=11 m的情況。

風荷載作用于橫橋向，計算橫橋向風荷載各個參數(shù)如表2所示。

2.4 主橋上部結(jié)構(gòu)靜力計算結(jié)果

由于4座鋼橋均為簡支邊界，所以選取各座橋梁跨中截面作為控制截面，驗算跨中截面在荷載組合作用下截面應(yīng)力值。

（1）成橋階段應(yīng)力驗算

表2 人行鋼橋橫橋向風荷載計算

成橋階段各座鋼橋跨中截面上下翼緣的應(yīng)力值如表3所示。

表 3成橋階段各控制截面應(yīng)力及變形值

由表3可以看出，主橋在成橋階段，最大應(yīng)力發(fā)生在主跨跨中截面下翼緣，最大拉應(yīng)力均＜210 MPa，滿足設(shè)計要求。成橋狀態(tài)下計算得到的跨中最大撓度應(yīng)在梁段設(shè)置預(yù)拱度時給予消除。

（2）正常運營階段應(yīng)力驗算

主橋進入正常運營階段，承受可變荷載作用，包括人群荷載，風荷載等。

主橋在荷載組合作用下應(yīng)力和變形情況如表4所示。

從表4中看出，在正常使用條件下，鋼梁最大拉應(yīng)力發(fā)生在主跨跨中截面下翼緣，各座橋的最大應(yīng)力均小于鋼材容許應(yīng)力210 MPa，滿足設(shè)計要求。

表4 正常運營階段各控制截面應(yīng)力及變形值

4座鋼橋在正常運營階段標準值組合作用下應(yīng)力分布情況如圖5-8所示。

圖5 49.7 m人行鋼橋正常運營階段應(yīng)力圖

圖6 53 m人行鋼橋正常運營階段應(yīng)力圖

圖7 56 m人行鋼橋正常運營階段應(yīng)力圖

圖8 60 m人行鋼橋正常運營階段應(yīng)力圖

2.5 主橋結(jié)構(gòu)撓度計算

4座鋼橋在人群荷載作用下位移變形值如表5所示。

表5 人群活載作用下主梁跨中撓度

主橋在主跨滿布人群荷載作用下活載撓跨比均<1/600，滿足規(guī)范設(shè)計要求。

2.6 主橋結(jié)構(gòu)預(yù)拱度計算

為減小主梁在正常使用階段出現(xiàn)過大撓曲變形，鋼箱梁在工廠制作時預(yù)先設(shè)置了預(yù)拱度。根據(jù)規(guī)范要求，主橋預(yù)拱度可按恒載+1/2靜活載作用下的主梁撓度設(shè)置鋼箱梁預(yù)拱度。

由MIDAS軟件計算得到，主橋上部結(jié)構(gòu)在恒載+體外預(yù)應(yīng)力+1/2靜活載作用下主跨跨中最大撓度如表6所示。

2.7 主橋結(jié)構(gòu)固有頻率計算

采用MIDAS軟件分析4座人行橋上部結(jié)構(gòu)在簡支邊界下的固有頻率如表7所示。

表6 各座人行鋼橋的預(yù)拱度計算

表7 人行橋固有頻率

3 結(jié)語

（1）大跨度人行鋼箱天橋設(shè)計，將預(yù)應(yīng)力技術(shù)引入鋼結(jié)構(gòu)，可以很好的改善結(jié)構(gòu)的靜力性能，提高鋼箱梁上部結(jié)構(gòu)的承載能力；

（2）預(yù)應(yīng)力鋼箱梁相比于普通鋼箱梁，箱梁梁高大約低30%，橋梁景觀效果較好；

（3）人行天橋設(shè)計時必須考慮行人行走的舒適性，如頻率接近行人行走的頻率會產(chǎn)生不舒適感；

（4）鋼箱梁人行天橋控制設(shè)計的主要因素是自振頻率，而現(xiàn)行規(guī)范規(guī)定的人行天橋的自振頻率對大跨鋼箱梁影響較大，作者認為有必要對規(guī)范的適用性做進一步研究。

[1]王佳偉，賈艷敏.預(yù)應(yīng)力簡支鋼箱梁自振頻率研究[J].工程力學, 2009（4）:27-30.

[2]沈曄，葛春輝.人行橋自振頻率的分析與計算[J].特種結(jié)構(gòu),2004（3）：53-55.

[3]CJJ69-95，城市人行橋與人行地道技術(shù)規(guī)范[S].

[4]龍馭球，包世華.結(jié)構(gòu)力學教程Ⅱ[M].北京：高等教育出版社，2011.

U448.15

B

1009-7716（2017）09-0081-04

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2017.09.023

2017-05-08

張魯明（1982-），男，山東青島人，工程師，碩士，從事市政、軌道交通設(shè)計工作。