贛州市某人行天橋設(shè)計及樹杈形橋墩創(chuàng)新思考

郁孟德

摘 要：贛州市某人行天橋跨越城市主干道，主橋總長60 m，橋?qū)?.06 m，橋梁下部結(jié)構(gòu)采用樹杈形橋墩，樹杈節(jié)點采用鑄造鋼結(jié)構(gòu)，上部結(jié)構(gòu)采用連續(xù)鋼箱梁，梁高1.2 m，跨徑為28.3 m+28.3 m，橋面加裝V形鋼結(jié)構(gòu)雨棚，具備城市人行天橋?qū)嵱?、美觀的效果。本橋在設(shè)計過程中，采用Midas Civil和ANSYS軟件對橋梁結(jié)構(gòu)體系和關(guān)鍵節(jié)點進行分析計算，最終確定橋梁中支點處采用與樹杈形立柱固結(jié)，邊支點處采用支座與樹杈平臺連接的方式。本文闡述了人行天橋的設(shè)計、計算全過程，對后續(xù)同類橋梁的受力體系確定、材料選擇、景觀效果以及創(chuàng)新思路具有良好的指導(dǎo)價值。

關(guān)鍵詞：城市人行天橋;鋼結(jié)構(gòu);樹杈形橋墩;鑄造鋼;計算方法;結(jié)構(gòu)體系;創(chuàng)新思考

1 工程概況

1.1 總體布置

本人行天橋采用連續(xù)鋼箱梁，跨徑組合為28.3 m+28.3 m，梁高1.2 m，總寬5.06 m，橋墩采用樹杈形橋墩，為鑄造鋼結(jié)構(gòu)，基礎(chǔ)采用擴大基礎(chǔ)。

1.2 橋型結(jié)構(gòu)

上部結(jié)構(gòu)采用2跨一聯(lián)的連續(xù)鋼箱梁，鋼結(jié)構(gòu)采用分段制作，現(xiàn)場吊裝拼接，主梁結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)段為等截面鋼箱梁，梁高1.20 m，橫隔板標(biāo)準(zhǔn)間距為2.0 m，縱向加勁肋采用“I”字肋，主橋鋼材均采用Q345qD。箱梁頂部設(shè)置鋼結(jié)構(gòu)雨棚，雨棚采用縱橫交錯的鋼管結(jié)構(gòu)，鋼管與主梁頂、鋼管與鋼管之間均采用角焊縫焊接，雨棚頂采用PC耐力板，PC耐力板與鋼管采用螺栓連接。

下部結(jié)構(gòu)采用樹杈形墩柱，樹杈形墩柱分為樹枝和樹干兩部分，每個樹干接4個樹枝，樹干外徑大小變化范圍為0.4 m～0.7 m，樹枝外徑大小均為0.2 m，考慮全橋受力的合理性，中支點樹杈形墩柱與主梁采用焊接連接（固結(jié)），邊支點設(shè)置樹杈鋼平臺，平臺頂部設(shè)置支座與主梁連接，為保證樹杈受力性能，在樹干與樹枝交叉節(jié)點處采用鑄鋼結(jié)構(gòu)，材料為45號鋼，壁厚40 mm，采用專業(yè)的鋼結(jié)構(gòu)軟件進行三維放樣，并請具有相應(yīng)資質(zhì)與制作能力的廠家加工，對關(guān)鍵節(jié)點進行射線檢測，檢測結(jié)果需滿足國家規(guī)范要求，為保證橫向受力舒適性，在樹杈節(jié)點中下部填充自密實微膨脹混凝土C40。

2 橋梁結(jié)構(gòu)計算分析

2.1 計算模型

整體計算采用MIDAS CIVIL軟件計算，全橋采用整體截面，建立三維空間有限元模型。其中，鋼結(jié)構(gòu)主梁、墩柱采用空間梁單元模擬，橋梁中支點為固結(jié)，邊支點支座剛度取實際支座剛度模擬，同時建立上部結(jié)構(gòu)雨棚。

2.2 荷載條件

（1）一期恒載鋼筋混凝土容重γ=26 kN/m3，鋼材、鋼筋容重γ=78.5 kN/m3;二期恒載橋面鋪裝為鋼筋混凝土鋪裝，厚度8 cm，容重γ=25 kN/m3，欄桿單側(cè)每延米計0.76 kN/m，雨棚上玻璃及附屬結(jié)構(gòu)按0.33 kN/m2計入。

（2）人群荷載按人行道考慮滿布人群荷載進行最不利工況加載，根據(jù)《城市人行天橋與地道技術(shù)規(guī)范》（2003年修改單）取用，人群荷載為3.6 kN/m2。

（3）溫度作用：體系溫差按《公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范》（JTGD60-2015）的規(guī)定，最高溫度+30℃，最低溫度為-30℃;溫度梯度按《公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計規(guī)范》JTGD64-2015考慮主梁結(jié)構(gòu)溫度梯度，同時參照英國橋梁荷載規(guī)范（BS5400）。

（4）雪荷載及風(fēng)荷載：雨棚雪荷載按《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》（GB 50009-2012）計入，按0.5 kN/m2考慮;風(fēng)荷載按《公路橋梁抗風(fēng)設(shè)計規(guī)范》（JTG/T 3360-01-2018）附錄A取值，按50年重現(xiàn)期的22.3 m/s風(fēng)速取值，并按相關(guān)規(guī)定計算主梁風(fēng)荷載。

2.3 承載能力極限狀態(tài)驗算

根據(jù)《公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范》（JTG D60-2015）4.1.5規(guī)定，在長期荷載作用下，對鋼結(jié)構(gòu)主梁、墩柱在作用基本組合下進行應(yīng)力驗算，計算結(jié)果得出，鋼結(jié)構(gòu)主梁最大壓應(yīng)力為75.1 MPa，最大拉應(yīng)力為61.9 MPa，最大剪應(yīng)力為24.6 MPa;墩柱最大壓應(yīng)力為157.4 MPa，最大拉應(yīng)力為69.8 MPa，最大剪應(yīng)力為2.8 MPa。本次設(shè)計主梁、橋墩鋼結(jié)構(gòu)均采用Q345鋼材，材料的抗拉、抗壓和抗彎強度設(shè)計值為fd=275 MPa，抗剪強度設(shè)計值為fvd=160 MPa。從計算的應(yīng)力結(jié)果得出，在基本組合作用下，正應(yīng)力、切應(yīng)力小于規(guī)范要求，結(jié)構(gòu)滿足材料強度要求。

2.4 正常使用極限狀態(tài)驗算

根據(jù)《公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計規(guī)范》（JTG D64-2015）4.2.3規(guī)定，鋼結(jié)構(gòu)主梁在移動荷載（不計沖擊力）作用下鋼主梁的最大豎向撓度不應(yīng)大于L/500。由計算結(jié)果可知，在活載作用下，主梁的最大豎向下?lián)隙葹?5.8 mm，主梁的最大豎向上撓度為14.3 mm，符合橋面梁的最大豎向撓度不應(yīng)大于28 300/500=56.6 mm的限值要求，本橋主梁剛度滿足規(guī)范要求。

2.5 支座反力

在恒載及活載作用下，標(biāo)準(zhǔn)組合下，鋼結(jié)構(gòu)墩柱豎向反力最大值為364.4 kN，最小值為156.3 kN，本次橋梁設(shè)計采用雙支座，支座型號為GJZ250×250×63，豎向承載能力為452 kN，滿足設(shè)計要求;根據(jù)《公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計規(guī)范》（JTG D64-2015）4.2.2.1規(guī)定，在基本組合下，單向受壓支座始終保證受壓狀態(tài)，由計算結(jié)果得出，墩柱在基本組合作用下未出現(xiàn)負反力，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性滿足要求。

2.6 特征值分析

采用Ritz向量法求解特征值，對于人行橋梁，宜使結(jié)構(gòu)頻率避開人感頻率，人感頻率范圍取2.5 Hz～3.5 Hz。對結(jié)構(gòu)的動力特性進行分析，第一階主梁豎彎時，結(jié)構(gòu)自振頻率為4.34 Hz，大于規(guī)范規(guī)定的不小于3 Hz要求，從振動模態(tài)及周期、頻率來看，主橋結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)體系及質(zhì)量、剛度均屬于合理范圍之內(nèi)。

2.7 屈曲分析

彈性穩(wěn)定性分析采用空間有限元程序Midas進行，求解結(jié)構(gòu)屈曲特征值系數(shù)時，當(dāng)有恒載W和活荷載P作用時，需要計算在恒載存在的情況下，多大的活荷載作用下橋梁會發(fā)生失穩(wěn)，因此在進行運營階段屈曲分析時把活載作為計算可變荷載。計算時采用迭代反復(fù)計算，首先計算在W+P作用下的特征值屈曲系數(shù)N1，然后計算W+N1*P作用下的特征值屈曲系數(shù)，…，W+N1* N2…Nn-1*P，直到計算出的Nn接近1時候，失穩(wěn)臨界荷載系數(shù)即為N1* N2…Nn，最終屈曲分析得到的活載作用下的一階失穩(wěn)臨界荷載系數(shù)應(yīng)大于10，滿足工程設(shè)計要求。計算采用第一類線彈性穩(wěn)定計算方法，計算方程為：

穩(wěn)定問題轉(zhuǎn)化為求方程的最小特征值問題; 結(jié)構(gòu)穩(wěn)定安全系數(shù)K定義為：K=，式中：K—結(jié)構(gòu)穩(wěn)定安全系數(shù)，Pcr—結(jié)構(gòu)的極限承載力，PT—結(jié)構(gòu)承受荷載之和，實際上，K為結(jié)構(gòu)達到極限承載力時PT的加載倍數(shù)。在工程中只有第一階失穩(wěn)模態(tài)有意義，因此僅給出第一階失穩(wěn)模態(tài)結(jié)果，計算結(jié)果表明，一階失穩(wěn)模態(tài)中，最小穩(wěn)定安全系數(shù)為18.5，大于4滿足規(guī)范要求。

3 樹杈形橋墩分析

采用ansys15.0進行邊跨橋墩分析，橋墩采用板單元shell63及梁單元beam188模擬，梁與板采用Mpc184連接，橋墩底采用固結(jié)。墊板采用板單元shell63，加勁板及底板厚度為50 mm，建立實際模型分析，立柱施加風(fēng)荷載。

最大應(yīng)力193.5 MPa，小于270 MPa的規(guī)范要求，強度滿足要求。

4 結(jié)語

我國鋼結(jié)構(gòu)橋梁的設(shè)計和施工技術(shù)已相當(dāng)成熟，本文中介紹的人行天橋，主梁及墩柱均采用鋼結(jié)構(gòu)，該類結(jié)構(gòu)受力明確，工藝成熟，充分發(fā)揮了鋼結(jié)構(gòu)在橋梁工程應(yīng)用當(dāng)中的優(yōu)勢。本項目在常規(guī)鋼結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計的基礎(chǔ)上，充分發(fā)揮創(chuàng)新思路，借鑒樹干、樹枝的意象，橋梁下部結(jié)構(gòu)采用樹杈形橋墩，上部結(jié)構(gòu)采用空間異形鋼結(jié)構(gòu)雨棚，使橋梁整體更加美觀、輕靈。由于橋梁較為大膽的創(chuàng)新，在結(jié)構(gòu)計算中，充分利用Midas Civil及ANSYS軟件建模，對結(jié)構(gòu)進行整體及局部分析，以橋梁專業(yè)相關(guān)設(shè)計規(guī)范為支撐，對計算結(jié)果進行數(shù)據(jù)分析，最終明確了橋梁的受力體系、結(jié)構(gòu)尺寸、材料選擇，以保證橋梁的安全性、適用性、經(jīng)濟性，通過分析本橋的設(shè)計過程，對后續(xù)同類項目的創(chuàng)新思路、計算過程有一定的指導(dǎo)意義。

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