鋼結構桁架橋在城市人行天橋中的應用

周雙朋

（貴陽市建筑設計院有限公司 貴州貴陽 550001）

1 引言

現如今，在城市交通密集地區(qū)，人行天橋、立交橋建設數量逐漸增加。鋼結構橋梁工程重量輕，強度高，跨越能夠大，被廣泛應用于城市橋梁工程建設中。

2 鋼結構在人行天橋的應用優(yōu)勢

2.1 力學與加工性能較強

傳統(tǒng)的人行天橋采用混凝土結構形式，而鋼結構的強度高，適用于大跨度以及大載荷的橋梁工程施工中。另外，鋼結構還具有良好的可塑性，能夠有效成熟靜力荷載狀態(tài)的抗變形能力，不容易受到超載的影響而發(fā)生斷裂。

2.2 工業(yè)化程度高、施工周期短

在鋼結構橋梁工程施工中，對于鋼結構構件，可由加工工廠統(tǒng)一制作，各個結構的精準度和質量比較高。另外，鋼結構重量比較小，結構連接形式簡單，運輸便捷。通過橋梁上部結構與下部結構同事實施施工，可縮短施工周期。

2.3 設計計算量小、計算結果切合實際

鋼材的材質接近均質，并且力學性能與彈性塑性體接近，因此鋼結構的受力情況與設計計算結構基本吻合，設計計算結果的可靠性比較高。

2.4 建設成本低

與混凝土結構相比，鋼結構的重量小，在鋼結構運輸和吊裝方面所需費用比較低，同時鋼結構基礎負載比較小，基礎造價比較低。

2.5 回收利用性高

在人行天橋的應用中，根據城市發(fā)展需要，可能需要對橋梁結構進行改造，鋼結構拆裝便捷，并且污染比較小，回收利用價值較高。

3 工程概況

貴陽市南明區(qū)花果園片區(qū)，位于貴陽市中心區(qū)域，人流量大，車況復雜，為有效解決行人過街問題，需修建大量人行天橋，其中遵義中路與延安南路交叉口的B聯(lián)，由于上跨延安南路（寬45m）且道路兩側情況復雜，導致橋梁設計跨度為62.68mm，橋下凈空高6m，橋面長度和寬度分別為63.68m和6.0m，另外，在該天橋兩端，還需要設置兩道人行扶梯。該人行天橋結構安全等級為一級，地震設防烈度為Ⅵ度，設計荷載如下：橋面活荷載為3.5kN/m2，二期恒載均為3.2kN/m2；橋頂雨棚活載和恒載分別為0.5kN/m2、1.7kN/m2；風壓標準值為 0.4kN/m2。

4 鋼結構桁架人行天橋設計

4.1 總體設計

4.1.1 結構布置

該鋼結構桁架橋項目設計中，選用Q345qd材質鋼型材料，采用兩榀下承式桁架方案。鋼桁架的總高度為6.7m，跨度為62.68m。主桁采用帶豎桿的華倫式三角形腹桿體系，節(jié)間長度9m，主桁高度6m，高跨比為1/10.45。兩片主桁主心距采用5.6m，寬跨比為1/11.19，橋面寬度5.2m。

主桁上下弦桿均采用箱形截面，截面寬度400mm，高度均為700mm，板厚30mm，工廠標準機械化焊接，在工地通過人工輔助半自動焊在節(jié)點內拼接。端豎桿采用箱形截面以增加面內外剛度，截面寬度400mm，高度均為700mm，板厚30mm；其余腹桿也均采用焊接箱型截面，截面寬度400mm，高度均為400mm，板厚16mm。

上平面縱向聯(lián)結系均采用平行形式，與弦桿在節(jié)點處相連，以抵抗橫向風荷載、豎向荷載及弦桿變形等產生的內力，上撐桿均采用箱形截面，截面寬度300mm，高度均為300mm，板厚12mm。

橋面系為橋面鋼板、橫隔梁和上面的橋面鋪裝結合而成。

4.1.2 支座設計

在該人行天橋各個鋼桁架梁的兩端位置，在桁架支座節(jié)點的下方，均需要設置一個支座結。每片主桁兩端設球型鋼支座，全橋共設固定支座【QZ2500GD】1個，橫橋向活動支座【QZ2500DX】1個，順橋向活動支座【QZ2500DX】1個，雙向活動支座【QZ2500SX】1個。

4.1.3 附屬設施設計

在該人行天橋建設中，在橋梁頂面需要設置透明雨棚，避免行人行走時受到雨水影響。雨棚選用輕質透明PC耐力板，不僅柔軟度比較高，而且更加美觀。在橋梁排水方面，主橋采用縱坡自然排水方式。

4.1.4 鋼結構防腐

表面處理：涂裝前需對工件進行表面處理，噴砂除銹等級達到Sa2.5級，涂裝前鋼表面粗糙度達到RZ25～100μm。涂裝前工件表面應干燥、無灰塵、無油污、無氧化皮、無銹跡。底漆：特制環(huán)氧富鋅底漆2道，干膜厚度2×40μm。中間漆：云鐵環(huán)氧中間漆2道，干膜厚度2×40μm。面漆：氟碳涂料面漆2道，干膜2×35μm（工廠一道、工地一道）。除最后一道面漆外，所有鋼結構的主要涂裝工序應在制造工廠進行。

4.2 結構計算與分析

4.2.1 模型建立

鋼桁梁結構整體計算采用有限元空間程序MIDAS進行分析，可劃分為142個梁單元以及72個節(jié)點，將空間桁架各桿件軸線形成的幾何圖形作為該桁架的計算圖示，并假定各節(jié)點為固接，按實際支座情況加上邊界條件。

施工程序按實際荷載加載步驟進行：①所有鋼結構單元安裝；②橋面板重量加載；③橋面系縱、橫梁與橋面板聯(lián)合截面形成；④二期恒載加載；⑤運營階段荷載加載、組合。

運營階段主要考慮汽車、人群、整體升、降溫、混凝土橋面板與鋼結構溫差、日照溫差及橫向風荷載。

4.2.2 結構分析

（1）應力分析

在該橋梁工程設計計算中，通過構建模型，并對模型進行分析，可對計算結果進行規(guī)范化檢驗。根據檢驗結果顯示，該橋梁工程應力比最大值為0.85，靜力分析應力比最大荷載的組合形式為：橋梁工程結構自重、橋面鋪裝和欄桿重量、行人荷載以及風載，強度應力比值0.76，繞2軸以及繞3軸整體穩(wěn)定應力比值分別為0.81和0.85。根據計算分析，該橋梁工程結構形式可滿足承載力要求。

（2）撓度分析

在恒載以及人群活載的共同作用下，橋梁工程結構可能會發(fā)生變形，根據模型計算分析，該橋梁工程豎向最大位移量為48.7mm，并且發(fā)生在橋梁跨中處十字剪刀撐，與起拱控制撓度值相比，最大位移偏大15.0mm，因此，在該結構位置進行安裝時，應該注意采用預先起拱的方式，其值則為在恒載+人群活載共同作用下所產生的豎向撓度，同時還應該注意采用圓滑曲線設置形式。在荷載的組合作用下，該橋梁工程結構豎向的最大位移量為109.7mm，而最大控制撓度值為125mm，因此能夠滿足橋梁工程設計規(guī)范。

（3）特征值分析

在對該橋梁工程結構特征值進行分析時，可以采用振型分解反應譜法，可以選用平－扭耦連的多質點彈性體系CQC法，并根據9種振型進行分析。選擇3種影響振型，如表1所示，其中，1和5為水平橫向振動而7為豎向振動。在人行天橋設計中，為了避免由于共振作用而影響行人安全，必須保證天橋上不結構的豎向自振頻率應該控制在設計要求3Hz以上。該橋梁工程水平自振頻率1和5振型分別為0.68Hz以及2.13Hz，由此可見，橋梁工程結構面內剛度大于外剛度。由于該橋梁工程結構跨度比較大，并且橫向寬度比較小，因此，結構面外剛度應比較小。

5 鋼結構桁架人行天橋施工

5.1 鋼結構制作

所在鋼結構的主要焊接工序應在制造工廠進行。

在焊接前工廠要做焊接工藝試驗，根據評定報告編制焊接工藝，施焊時要嚴格執(zhí)行。焊接工作宜在室內進行，環(huán)境濕度不小于80%，溫度不應低于50℃。主要桿件應在組裝后24h內焊接，如超時應根據不同情況在焊接部位進行清理或去濕處理后方可施焊。

焊接材料應通過焊接工藝評定確定，焊劑、焊條必須按產品說明書烘干使用，焊劑中的贓物、焊絲上的油銹等必須清除干凈。鋼板焊接前要預熱，預熱溫度應通過焊接性試驗和焊接工藝評定的確定，預熱范圍一般為焊縫每側100mm以上，距焊縫30～50mm范圍內測溫。焊接前必須徹底清除等焊區(qū)內的有害物，焊接時嚴禁在母材的非焊接部位引弧，焊接后應及時清理焊縫表面的熔渣及兩側的飛濺物。定位焊不得有裂紋、夾渣、焊瘤、焊偏、未填滿的弧等缺陷，并徹底清理熔渣。定位焊縫長視鋼板厚度可為60～100mm，間距400～600mm，焊腳尺寸不得大于設計焊腳尺寸的一半。

5.2 鋼桁架拼裝

鋼桁架是軸力桿件與節(jié)點板所組成的受力系統(tǒng)，在進行鋼桁架安裝前，首先需要對其受力特點進行分析。桁架節(jié)點板位置在弦桿和腹桿焊接處，在弦桿的不同節(jié)點位置，都需要設置焊接收縮量，這樣能夠有效抵御焊接應力變形，加強構件安裝精度控制。在各個結構件拼裝施工過程中，為了有效控制拼接縫，應從中間向四周位置焊接，確保結構件可以自由收縮。除此以外，還應該注意，對于焊接施工中的變形位置，應采取有效措施進行校正。

5.3 構件吊裝

根據主橋所處位置和現場的具體情況，在道路交通相關部門批準的時間內，鋼桁梁的架設按搭框體支架施工法進行，拼裝平臺上分段拼裝鋼桁梁。

吊裝施工應連續(xù)進行，一次吊裝鋼桁梁到達主墩上，以避免意外發(fā)生。吊裝時風力應小于5級。主梁吊裝到位后，開始落梁。落梁的辦法可用4個千斤頂各支承在端橫梁底板下頂梁處，起頂主梁，將枕木垛逐層拆除，鋼梁逐層下降。在落梁時隨時調整以使得主梁與支座位置吻合。

鋼梁架設完成后，吊裝主橋橋面板，澆注濕接縫，鋪筑橋面系，完成主橋的施工。

6 結語

綜上所述，現如今，城市化建設速度不斷加快，城市車流量和人流量逐漸增加，在城市人口密集區(qū)域，行車、行人安全性比較低，對此，可建設人行天橋，保證行人安全。在橋梁工程施工中，鋼結構施工方式便捷，工期比較短，并且具有良好的環(huán)保節(jié)能優(yōu)勢，因此逐漸被應用于城市人行天橋設計建設中。鋼桁架結構人行天橋的主要受控因素為豎向自振頻率，對此，在進行結構計算設計過程中，需要結合實際情況合理布置桁架高度，并嚴格控制高跨比，提升鋼結構的穩(wěn)定性和剛度，確保滿足人行天橋使用要求。