簡支下承式拱形鋼桁架人行天橋結構設計

王 煜

（重慶市設計院有限公司，重慶市 400015）

0 引言

憑借跨越能力強、施工快速便捷和景觀性好等優(yōu)點，鋼結構橋已經成為國內城市人行天橋的主流形式。而隨著城市道路的不斷拓寬，以及地下軌道、管網和綜合管廊對橋梁布墩所造成的限制，城市人行天橋的跨度也在相應增大。重慶市渝州路道路拓寬改造工程2 號人行天橋就是一個較為典型的案例。該天橋受道路拓寬及地下軌道的影響，跨徑布置為1×56 m，主梁采用簡支下承式拱形鋼桁架結構，在安全性、功能性和景觀性之間實現了良好的平衡。

1 工程概況

重慶市渝州路道路拓寬改造工程位于重慶市渝中區(qū)和高新區(qū)，起點接大坪循環(huán)道，終點接石橋鋪立交，路線全長約3.5 km，項目總投資約4.64 億元，道路等級為城市主干道。工程將現狀雙向4 車道的渝州路拓寬至雙向8 車道，并在部分路口增設人行天橋，以保障行人過街安全及車流暢通。

2 號人行天橋位于重慶市高新區(qū)渝州路與渝州支路交叉口附近，上跨東西走向的渝州路。橋下道路拓寬后橫向布置為：13.50 m（人行道）+36.75 m（車行道，含中央分隔帶）+13.75 m人行道。城市軌道交通1 號線和5 號線的3 條隧道沿渝州路走向布置于車行道和人行道下方，2 號人行天橋基礎須與城市軌道交通結構保持3 m以上的水平凈距，這導致2號人行天橋在車行道和部分人行道范圍內無法布墩。此外，受兩側用地條件限制，2 號人行天橋結構物須設置在道路紅線范圍內。經現場踏勘和資料分析，該天橋需采用簡支梁橋形式，主梁跨徑超過50 m。

2 天橋結構選型

目前國內城市道路人行天橋主要采用鋼箱梁和鋼桁架梁形式。鋼箱梁由于外觀龐大笨重、用鋼量大、主梁橋面偏高導致梯道過長等缺點，很少用于40 m跨徑以上的簡支天橋。而下承式鋼桁架梁結構具有受力明確、跨越能力強[1]、用鋼量較少、自重較輕、景觀通透性好、梯道銜接與布置較為合理等優(yōu)點，更適宜作為該天橋的結構形式。此外，為確保2 號人行天橋自振頻率不低于規(guī)范要求的3 Hz[2]，2 號人行天橋桁架最大高度將超過6 m，而橋址處周邊為景觀綠地和低矮房屋，因此，為提升橋梁與周圍環(huán)境的景觀融合度，2 號人行天橋采用下承式拱形桁架梁，通過上弦桿的弧形曲線變化來減小天橋的視覺體量感。2 號人行天橋景觀效果圖見圖1。

圖1 2 號人行天橋景觀效果圖

3 天橋總體布置

2 號人行天橋主梁全長56.6 m，計算跨徑1×56 m（見圖2）。橋墩設置于人行道外側，這樣在確保車輛行人通行順暢的同時，橋下空間通透寬敞，視覺效果好。主梁采用簡支下承式拱形鋼桁架結構，由2 片拱形桁架和橫聯桿件組成整體，斜腹桿采用三角形布置，最大桁高6.36 m；橫向布置為：寬0.4 m桁架+寬4.5 m人行道+寬0.4 m桁架=5.3 m。在桁架梁兩側設有梯道梁，梁與梁之間設置伸縮縫斷開。在每片桁架梁兩端設有1 根T 形獨柱墩作為支撐，橋墩基礎采用直徑1.5 m的獨樁，樁基與軌道結構水平凈距在3 m以上。

圖2 2 號人行天橋立面布置示意圖（單位:cm）

4 桁架桿件設計

2 號人行天橋桁架桿件采用全焊箱形截面，其橫斷面圖見圖3。2 號人行天橋的上弦桿為拱形，拱軸線跨度56 m，矢高6 m，矢跨比為6/56；上弦桿截面尺寸為400 mm×450 mm×28 mm；下弦桿截面尺寸為400 mm×550 mm×28 mm，并從跨中向兩端設置0.5%的縱坡，以滿足排水要求。

圖3 2 號人行天橋桁架橫斷面圖（單位:cm）

2 號人行天橋的斜腹桿截面尺寸為400 mm×300 mm×12 mm。上弦桿之間設置上橫梁，截面尺寸為200 mm×250 mm×12 mm；下弦桿之間縱向交替設置下橫梁和橫向連接桿，截面尺寸分別為250 mm×280 mm×16 mm 和150 mm×200 mm×12 mm。

5 桁架節(jié)點設計

2 號人行天橋桿件連接節(jié)點采用無節(jié)點板設計，節(jié)點處斜腹桿的上、下側鋼板與弦桿直接抵焊，斜腹桿和弦桿的側板采用整體切割成形，并在桿件之間采用圓弧過渡，以優(yōu)化節(jié)點應力分布，而且外形簡潔圓潤。

2 號人行天橋桁架節(jié)點示意圖見圖4。

圖4 2 號人行天橋桁架節(jié)點示意圖（單位:cm）

此外，在弦桿內部設置加勁隔板，隔板位于腹桿鋼板與弦桿抵焊處的正下方，該措施可有效減小節(jié)點處應力集中[3]。

6 結構驗算

采用Midas/Civil 軟件對2 號人行天橋建模計算。2 號人行天橋計算模型圖見圖5。

圖5 2 號人行天橋計算模型圖

在承載能力極限狀態(tài)下，2 號人行天橋桁架桿件最大拉應力為93.1 MPa；最大壓應力為131.7 MPa，小于Q355 鋼材強度設計值270 MPa，滿足規(guī)范要求。

在正常使用極限狀態(tài)下，2 號人行天橋桁架結構由人群荷載引起的最大豎向撓度為19 mm，小于規(guī)范允許撓度值56 000/800=70 mm。由結構重力和人群荷載所產生的向下撓度為34 mm，小于規(guī)范容許值56 000/1 600=35 mm，可不設置預拱度。

根據規(guī)范要求，人行天橋上部結構豎向自振頻率不應小于3 Hz。該天橋主梁1 階豎向自振頻率為3.08 Hz，滿足規(guī)范要求。

7 結語

（1）天橋作為城市道路景觀的一部分，在確保安全性和功能性的前提下，應注重橋梁自身景觀性與周圍環(huán)境的協(xié)調性，設計過程中需綜合考慮橋梁結構性能、橋下道路和其他建（構）筑物布置、周邊環(huán)境特點、經濟性等因素。

（2）相較于鋼箱梁，下承式拱形鋼桁架梁桿件受力簡單明確，可充分發(fā)揮材料的受力性能，梁高對梯道的布置影響小，用鋼量更少，經濟性更好，而且拱形結構景觀效果好，與周圍環(huán)境的相容協(xié)調性好，適用于跨度較大的城市人行天橋。

（3）桁架桿件節(jié)點采用無節(jié)點板設計，美觀性較好，但需采取措施來減小節(jié)點處的應力集中。本次設計采用節(jié)點桿件側板整體切割成形、桿件之間圓弧過渡、弦桿增設加勁隔板等措施，可有效減小節(jié)點處的應力集中。

（4）計算結果顯示，相較于桿件承載力，該天橋豎向自振頻率富余度更小，故跨度較大的拱形鋼桁架天橋設計應特別關注自振頻率是否滿足規(guī)范要求?？赏ㄟ^增加跨中梁高、增大弦桿截面等方式來提高自振頻率。