異形人行天橋亮化工程設(shè)計計算分析研究

□文 /王龍花

1 工程概況

某十字環(huán)形立體交叉型式鋼結(jié)構(gòu)人行天橋承重結(jié)構(gòu)為橋梁用A3鎮(zhèn)靜鋼，相鄰兩條人行道交角為90°，長軸長61.21m，短軸長59.41 m，環(huán)形走道寬3.6 m，梯道寬2.1 m。鋼箱梁梁高：跨中處為1 m，長邊根部為2.215 m，短邊根部為2.204 m。鋼架腿部尺寸上端為2.3 m×1.8 m，下端為1.6 m×1.8 m。支座形式為抗剪器，承臺設(shè)置支撐墻體抵抗橋墩水平推力，基礎(chǔ)形式為樁基礎(chǔ)。

2 亮化工程設(shè)計

為美化城市環(huán)境，提高城市的整體形象，對該橋進(jìn)行亮化工程設(shè)計，在人行橋中央環(huán)形走道四個方向分別架設(shè)一塊空間桁架體系戶外LED顯示屏，桁架結(jié)構(gòu)體系與環(huán)形鋼箱梁腹板焊接，為保證主承重結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，采用空間桁架體系將相對應(yīng)的兩塊LED顯示屏連接橋上，同時為抵消恒載增加且滿足橋梁防水設(shè)計要求，設(shè)計決定鑿除原8 cm厚的細(xì)石混凝土防水層，改為2 cm厚的橡膠防水層。為確保顯示屏安裝及使用過程的安全，顯示屏承重材料、焊接安裝工藝均應(yīng)滿足相應(yīng)規(guī)范規(guī)定。

3 結(jié)構(gòu)計算分析

3.1 結(jié)構(gòu)材料及技術(shù)參數(shù)

1）主結(jié)構(gòu)均采用Q235鋼板，彈性模量1.95×105MPa，標(biāo)準(zhǔn)強度235 MPa，抗拉、壓、彎設(shè)計強度均為215 MPa，抗剪設(shè)計強度125 MPa。鋼箱梁下翼緣板厚16 mm，上翼緣板厚12mm，腹板、橫隔板、翼緣和加勁肋厚10 mm。

2）顯示屏支撐桁架采用 16#、14#工字鋼，100 mm×50 mm、60 mm×60 mm和40 mm×40 mm矩管。

3.2 荷載標(biāo)準(zhǔn)及荷載組合

1）恒載。包括結(jié)構(gòu)自重，附屬結(jié)構(gòu)、顯示屏及支架恒載，其中結(jié)構(gòu)自重按實際斷面計入。附屬結(jié)構(gòu)：單側(cè)欄桿重為1 kN/m，2 cm橡膠防水層為0.26 kN/m2；坡道踏步為7.2 kN/m，過橋管線等為0.47 kN/m；顯示屏及支架為60 t。

2）活載。主要考慮人群荷載、溫度、風(fēng)載、沉降。其中人群荷載集度為4 kN/m2，溫度按系統(tǒng)升溫25℃和降溫30℃考慮，設(shè)計基本風(fēng)壓為0.5 kN/m2。鑒于該橋已經(jīng)建成并運營22 a，沉降已趨于穩(wěn)定且顯示屏及支架總質(zhì)量小于鑿除的原鋪裝自質(zhì)量（80 t），故此次分析不考慮沉降因素。

3）荷載組合。主結(jié)構(gòu)整體計算時，正應(yīng)力及剪應(yīng)力標(biāo)準(zhǔn)組合=1×恒載+1×人群+1×風(fēng)載+1×溫度荷載，撓度值正常使用極限狀態(tài)組合=1×恒載+1×人群；主結(jié)構(gòu)細(xì)部計算時，荷載組合=1×自重+1×人群+1×風(fēng)載+1×顯示屏重。

3.3 計算模型

主結(jié)構(gòu)整體計算模型取上部全橋和主墩,采用空間有限元程序TDVRM2006進(jìn)行計算分析，將全橋離散成134個單元。墩、梁固結(jié)，各橋墩墩底采用固定鉸支座約束，計算模型見圖1。主結(jié)構(gòu)細(xì)部分析取1/2橋跨，采用大型有限元計算程序Midas FEA進(jìn)行局部受力分析，提取截面內(nèi)力及變形結(jié)果作用在邊界面上，從而達(dá)到局部模型受力狀態(tài)等同于整體模型。此模型中1/2跨位置界面處采用固結(jié)的約束方式，另側(cè)采用內(nèi)力及位移的邊界條件。上翼緣板、下翼緣板、腹板、橫隔板和加勁肋均采用板殼單元。為更加準(zhǔn)確分析鋼桁架與腹板相焊接位置處腹板受力狀態(tài)，此處鋼桁架（16#工字鋼）也采用板殼單元，其它鋼桁架均采用線單元，計算模型見圖2。

圖1 結(jié)構(gòu)整體計算模型

圖2 結(jié)構(gòu)細(xì)部計算模型

3.4 整體計算結(jié)果

在荷載標(biāo)準(zhǔn)組合作用下，主結(jié)構(gòu)正應(yīng)力和剪應(yīng)力計算結(jié)果見表1；在正常適用極限狀態(tài)組合作用下，環(huán)形走道最大豎向位移見圖3；結(jié)構(gòu)特征值分析一階模態(tài)見圖4；結(jié)構(gòu)特征值分析結(jié)果見表2。

表1 主結(jié)構(gòu)正應(yīng)力和剪應(yīng)力計算

圖3 環(huán)形走道最大豎向位移

圖4 主結(jié)構(gòu)特征值分析一階模態(tài)

表2 特征值分析結(jié)果

由表1可知，在荷載標(biāo)準(zhǔn)組合作用下，主結(jié)構(gòu)最大正應(yīng)力值均小于規(guī)范要求的設(shè)計強度，安全系數(shù)在1.97～4.52，具有一定的安全儲備；主結(jié)構(gòu)最大剪應(yīng)力值均小于規(guī)范要求的設(shè)計強度，安全系數(shù)在4.03～50.00，具有較大的安全儲備。

由圖3可知，正常使用極限狀態(tài)組合作用下，環(huán)形走道的最大豎向撓度為70.49 mm，大于CJJ 69—95《城市人行天橋與人行地道技術(shù)規(guī)范》最大撓度37.13 mm的要求，需要設(shè)置預(yù)拱度，預(yù)拱度已在原設(shè)計中設(shè)置，主結(jié)構(gòu)剛度滿足規(guī)范要求。

由表2可知，該人行天橋一階頻率為2.158 Hz，小于于CJJ 69—95要求的3 Hz，在使用過程中可能造成共振，引發(fā)行人的不安全感。原因在于原設(shè)計鋼箱梁剛度太小，原設(shè)計沒有考慮該因素，但由于項目的不可逆性，只能在日后使用過程中通過部分限行的方式加以解決。

3.5 細(xì)部計算結(jié)果

在荷載組合作用下，主結(jié)構(gòu)翼緣板應(yīng)力、腹板及橫隔板應(yīng)力及加勁肋板應(yīng)力計算結(jié)果見表3，主結(jié)構(gòu)整體最大面范梅塞斯應(yīng)力見圖5，顯示屏支撐桁架內(nèi)力計算結(jié)果見表4。

由表3計算結(jié)果可知，在荷載組合作用下，主結(jié)構(gòu)各部分最小正（軸向）應(yīng)力在-40.3～-101.1 MPa，小于規(guī)范要求的設(shè)計強度，安全系數(shù)在2.13～5.33之間；最大正（軸向）應(yīng)力在15.8～77.0 MPa，小于規(guī)范要求的設(shè)計強度，安全系數(shù)在2.79～13.61；最大剪應(yīng)力在17.2～47.1 MPa，小于規(guī)范要求的設(shè)計強度，安全系數(shù)在2.65～7.27；最大面范梅塞斯應(yīng)力在49.3～92.8 MPa，小于規(guī)范要求的設(shè)計強度，安全系數(shù)在2.32～4.36，均具有一定的安全儲備，鋼箱梁強度滿足規(guī)范要求。

表3 主結(jié)構(gòu)各部分應(yīng)力計算結(jié)果

圖5 結(jié)構(gòu)整體最大面范梅塞斯應(yīng)力

表4 鋼桁架內(nèi)力結(jié)果

由圖5可知，主結(jié)構(gòu)最大面范梅塞斯應(yīng)力出現(xiàn)在頂板與橫隔板、底板與橫隔板相交處，由前面各部分計算結(jié)果可知，應(yīng)力值均小于規(guī)范要求的設(shè)計強度，鋼箱梁局部穩(wěn)定滿足設(shè)計要求。

由表4可知，顯示屏支撐鋼桁架內(nèi)力及應(yīng)力均較小，滿足設(shè)計及使用要求。

4 結(jié)論

1）該橋主結(jié)構(gòu)及顯示屏支撐桁架的強度、剛度、穩(wěn)定性均滿足規(guī)范設(shè)計要求；分析結(jié)果驗證了該橋亮化設(shè)計方案的可行性，從而可以保證結(jié)構(gòu)的正常使用安全。

2）該橋一階模態(tài)頻率小于規(guī)范要求，為避免使用過程中產(chǎn)生共振，對人行天橋的正常使用帶來危害，應(yīng)進(jìn)行部分限行。

3）本研究所采用的設(shè)計分析方法可為城市人行天橋的美化裝飾設(shè)計提供依據(jù)，為人行天橋亮化工程的推廣應(yīng)用作為參考。