浅谈钢箱梁人行桥设计

浅谈钢箱梁人行桥设计

韩洁

深圳高速工程顾问有限公司广东深圳518000

摘要：主要介绍钢箱梁人行桥设计及结构选型。从平面、立面、断面设计几个方面，通过有限元模拟计算从计算模型、荷载、钢主梁、上部结构基频、上部结构抗倾覆稳定性、局部计算等方面分析阐述钢箱梁人行桥的设计要点，控制因素。为类似桥梁工程设计提出合理化建议。

关键词：钢箱梁人行桥；初步设计及结构选型；有限元计算；设计要点；控制因素

引言

随着城市建设的不断发展，市政交通网络的覆盖，越来越多的人行天桥、立交桥出现在了城市交通密集的地区，不仅解决了行人过街的安全问题，同时加强了建筑物之间的联系。钢桥具有跨越能力大、自重小、强度高、可加工性能好且施工快捷等优点，这使得大中城市里人行桥设计多选用钢结构。而城市建筑密集、现场条件复杂、景观要求高等因素使得人行桥设计细节考虑尤为重要。本文将以一个实际钢箱梁人行桥工程为背景，辅以空间有限元结构分析软件MIDASCIVIL进行计算。对其设计过程中的心得来进行阐述，为类似工程设计提供借鉴。

1.桥梁概况及设计标准

1.1设计条件

项目地处城市核心区，人行桥从北侧高层建筑附近跨越城市二级河道连接两岸绿地。

工程规模：桥长不超过35m，桥宽不超过5m，河道蓝线宽度22m，泄洪驳坎宽约12m，批复要求：构筑物不得侵入驳坎范围，桥台不得进入蓝线范围。桥梁净空：2.5m；河道水位（m）：4，5m；

1.2设计标准

设计荷载：4.5kPa；

设计安全等级：二级；

环境类别：Ⅱ类

抗震设防烈度：6度

2.初步设计及结构选型

本桥定位为园区景观桥梁，方案设计中需遵循的以下几个原则：

符合科韵路整体规划要求。

服从桥梁总体造型的要求。

坚持以人为本，人与自然合谐的原则。

构造创新独特、结构新颖。

桥梁设计同周边环境统一

建筑力求少破坏自然地形。

2.1平面设计

基于上述设计条件，结合两岸环境及景观要求，桥梁平面设计位于半径为46.9米圆曲线上，桥梁全长34.0米，受河道蓝线及驳坎限制，跨径布置分两跨布置，跨径为9.0+25=34米，桥墩置于左侧驳坎边缘。

2.2立面设计

人行桥梁需考虑净空要求，需设置纵坡，纵坡值在满足净空及经济安全的前提下，本桥设置双侧8%纵坡，并在坡顶处设置R=100米圆弧曲线过渡；桥梁大跨处设置通航孔，高度2.5米，宽度4米。

2.3断面设计

钢箱梁断面设计是本桥结构设计的控制性因素，包括梁宽、梁高、桥面横向布置、悬臂造型等诸多因素。考虑由于通行量大不，桥梁全宽定为3.0米；桥面布置为0.25米+2.5米+0.25米=3米；

3.有限元模拟计算

3.1计算模型

本方案主桥静力计算将结构离散成空间杆系模型，采用空间有限元结构分析软件MIDASCIVIL进行计算。纵桥向设置一个固定支座，其余均为活动支座，模型中支座位置与施工图一致，有限元模型中采用节点弹性连接（刚性）与一般支承实现。模型中单位没有特殊说明处，应力均以MPa为单位。

3.2荷载取值

自重：钢结构容重按78.5kN/m3计；钢砂容重按45kN/m3计；铺地按1.2kN/m计；栏杆按1.6kN/m计；横隔板按0.95kN/m计。

基础变位：各墩不均匀沉降均按0.5cm考虑。

人群荷载：W=4.5kPa；

温度荷载：整体升降温按照《公路桥涵设计通用规范》（JTGD60-2004）第4.3.10条第2款计算，查附录B全国气温分区图，杭州属于温热地区，按合拢温度为10℃~20℃，取最不利合拢温度值控制，结构整体升降温均按30℃计算。竖向梯度温度最大温差按15℃考虑。

风荷载：设计基本风压按《公路桥涵设计通用规范》取0.45KPa。

3.3钢主梁

钢主梁的应力采用容许应力法进行验算：在作用标准组合下，考虑有效宽度后的钢主梁的最大容许拉压应力控制在±150MPa范围。

主跨钢梁在活载作用下为-20.1mm，2.5mm。规范规定，活荷载作用下纵梁的容许位移为跨径的1/600，即25000/600=41.7mm，计算挠度为22.6mm，刚度满足规范要求。

3.4上部结构基频验算

根据《城市人行天桥与人行地道技术规范》CJJ69-95，人行桥的竖向基频不得低于3Hz，有限元计算结果一阶竖向基频为3.92Hz，满足规范要求。

3.5局部计算

本桥中支点为单支座，支点反力最大，

①局部承压应力计算，

支座反力RV=651KN；底板厚度tf=20mm。

根据《现代钢桥》局部承压应力计算如下：

σb=Rv/（As+BebtD）=651x1000/（20x150x2+440x20）=44.0Mpa<[σb]=300Mpa

②竖向应力计算

根据《现代钢桥》：支座反力作用下，横隔板和加劲肋中竖向应力的实际大小和分布非常复杂，为了简化计算，支承垫板处的最大有效断面平均压应力按下式计算：

σ=2Rv/（As+BevtD）=2x651x1000/（20x150x2+440x20）=88.0Mpa<[σc]=150Mpa

3.6上部结构计算结论

（1）最大容许拉压应力79.7<150MPa强度满足规范要求；

（2）计算挠度为22.6mm<1/600=42mm，刚度满足规范要求；

（3）竖向基频3.92Hz>3Hz，满足要求；

（4）人行桥的结构基频为4.3Hz，满足规范要求；

（5）局部应力满足要求。

4.结语

由以上分析可知：

1）跨径确定前提下，钢人行桥结构安全控制性因素：基频、局部应力、挠度；

2）设计有纵坡时注意防滑设计；

3）设计时结构上既要保证安全可靠，也要考虑经济性和施工方便；

4）桥梁的前期阶段设计是非常重要的，需要充分利用地质勘查、城市平面规划、地下管线布置以及人流车流量调查等资料和设计各方的广泛交流，以避免多次的返工和修改；

参考文献：

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