环形人行天桥的连续梁结构与墩梁固结结构性能对比分析

环形人行天桥的连续梁结构与墩梁固结结构性能对比分析

李祥

（林同棪国际工程咨询（中国）有限公司昆明分公司，云南 昆明 650000）

摘要：以某椭圆环形不等跨钢箱梁人行天桥结构设计为背景，通过对比连续梁结构和墩梁固结结构在竖向自振频率、支座反力、挠度、温度变形、桥墩应力5个方面的表现，表明墩梁固结结构应用在环形人行天桥中具有一定的性能优势，为类似工程设计提供借鉴。

关键词：环形人行天桥；墩梁固结；钢箱梁

中图分类号：U448.11 文献标识码：A

Comparative analysis of performance between continuous beam structure and pier beam consolidation structure of circular pedestrian overpass

LI Xiang

(T.Y.LIN International Engineering Consulting China Co.Ltd Kunming Office, Kunming 650000, China)

Abstract：Taking the structural design of an elliptical ring unequal span steel box girder footbridge as the background, by comparing the performance of continuous beam structure and pier beam consolidation structure in five aspects: vertical natural frequency, bearing reaction, deflection, temperature deformation and pier stress, it shows that pier beam consolidation structure has certain performance advantages in the application of ring footbridge, which provides reference for similar engineering design.

Keywords: Circular pedestrian overpass, Pier beam consolidation, Steel box girder

0 引言

在城市交通繁忙的道路交叉口增设人行天桥，可实现人车交通分流、提高通行效率，是优化交通组织的的重要选择。环形人行天桥具有人车完全分流、全互通、布墩方便、形体美观等优点，近年来越来越受到设计师和市民的青睐。环形人行天桥结构形式通常分为设支座的闭合连续梁结构和不设支座的墩梁固结刚架结构。本文以某椭圆环形不等跨钢箱梁人行天桥结构设计为例，针对以上两种结构形式进行对比分析。

1 工程概况

某城市主干路与次干路交叉口，周边分布体育馆、医院等大型公共建筑，交通流量大，拟新建一座人行天桥缓解交通压力。根据建设条件，天桥平面采用椭圆环形，长轴66.4m，短轴52m，桥面总宽3.6m，主梁采用钢箱梁，梁高1.6m，六跨39.187+15.724+37.268+39.889+16.179+38.424=186.671m不等跨布置，共设6个单柱式钢桥墩，墩柱直径1.0m，壁厚20mm，如图1、2所示。

图1 总体平面布置图

闭合连续梁结构：墩顶设单支座，支座型号GBZY 400×99板式橡胶支座，剪切刚度1770kN/m，抗压刚度588887kN/m。

墩梁固结结构：墩柱顶与主梁固结形成刚架。

图2 主梁横断面（单位：mm）

因桩基刚度取值对计算结果影响不大，为便于比较，两种方案均采用单柱配4桩正方形布置，基桩直径1.0m，中心距4.0m，桩长15m，桩型为钻孔灌注桩。承台底面中心处桩基集成刚度：径向和环向平动刚度391511kN/m，绕径向和环向转动刚度4427207kN.m/rad，竖向刚度100000000kN/m。

采用midas/CIVIL建立主桥空间梁单元模型对两种结构形式进行计算。

图3 闭合连续梁结构有限元模型

图4 墩梁固结结构有限元模型

2 对比分析

2.1竖向自振频率

选用Lanczos法计算。

图5 闭合连续梁结构，竖向振动为主的第一振型

图6 墩梁固结结构，竖向振动为主的第一振型

从图5、6可知，闭合连续梁结构竖向振动为主的第一振型频率为3.092HZ，墩梁固结结构竖向振动为主的第一振型频率为3.646HZ。因闭合连续梁结构设置了橡胶支座，竖向刚度较墩梁固结结构小，导致竖向自振频率较小

^[3]，已接近规范^[1]规定的限制（3.0HZ）。采用墩梁固结结构可较大幅增加结构竖向自振频率，提高行人舒适度。

从工程设计实践及相关文献^[2]可知，人行桥通常由竖向自振频率控制设计，墩梁固结结构可有效提高竖向自振频率，可作为优化人行桥结构设计的重要举措。采用墩梁固结结构后，可进一步降低主梁刚度，减小梁高，使结构更加节省钢材、轻盈美观。

2.2支座反力

因各跨跨径相差较大，连续梁结构在最不利人群荷载和支座沉降共同作用下可能导致支座脱空。

表1 闭合连续梁结构支座最小反力（拉+压-，单位：kN）

从表1可看出，1#、2#、4#、5#支座反力最小，其中支座2、5已为拉力，支座脱空。为解决支座脱空问题，可考虑采用如下措施：

（1）调整跨径布置：可取消1#、2#墩和4#、5#墩中的各一个墩，6跨不等跨布置变为跨径较为均匀的4跨布置，能解决支座脱空问题，但势必会增加平均跨度和最大跨度，导致主梁竖向刚度减小，自振频率减小，且主梁强度可能也不能满足要求。

（2）增加配重：在1#、2#、3#、4#支座对应的主梁箱内增加配重可有效解决支座脱空问题，但会导致增大支座型号，且可能增加下部构件尺寸。

采用墩梁固结结构时，虽然也会导致墩柱受拉，但当采用桩基时，结构一般无需采取措施，故墩梁固结结构能有效解决支座脱空问题。

2.3挠度

主梁最大挠度发生在1#-6#墩跨，两种结构最大挠度如表2、3所示。

表2 闭合连续梁结构最大挠度

表3 墩梁固结结构最大挠度

从表2、3可看出，采用墩梁固结结构计算的挠度较连续梁结构有所减小。但两种结构在人群荷载作用下的挠度均远小于1/600跨度的限值，挠度不控制设计。

2.4温度变形

在整体升降温作用下，主梁将产生径向变形，过大的径向变形对梯道及电梯井道产生不利影响。

表4 连续梁结构和墩梁固结结构主梁径向变形（单位：mm）

从表4可看出，采用墩梁固结结构时桥墩对主梁的径向变形具有一定的约束作用，但桥墩抗推刚度相对于主梁轴向刚度小的多，其约束作用有限。

2.5桥墩应力

在整体升降温作用下，桥墩将产生较大的温度应力。

图7 闭合连续梁结构，整体升温桥墩正应力（单位：MPa）

图7 墩梁固结结构，整体升温桥墩正应力（单位：MPa）

从图7、8可看出，闭合连续梁结构在整体升温作用下桥墩最大正应力为5.9MPa，墩梁固结结构在整体升温作用下桥墩最大正应力为67.4MPa。墩梁固结结构桥墩跟随主梁变形，导致温度效应增大较多，但总体来看桥墩具有一定的高度，其侧向抗推刚度不大，故增加的应力并不大，强度验算仍可满足受力要求。

图9 墩梁固结结构，基本组合桥墩正应力图（单位：MPa）

如图9所示，墩梁固结结构，基本组合桥墩最大正应力为1.1×169.6=186.6MPa，小于抗弯强度设计值275MPa，满足受力要求。

3 结论

从以上对比分析，可得到如下结论：

（1）在环形人行天桥中采用墩梁固结结构可有效增加竖向自振频率，提高行人舒适度，并可有效解决不等跨连续梁支座脱空问题。

（2）在环形人行天桥中采用墩梁固结结构对减小主梁挠度、约束主梁径向变形有一定的作用，但其作用有限。

（3）在环形人行天桥中采用墩梁固结结构会增加桥墩温度应力，但其强度一般仍能满足要求。

（4）墩梁固结结构应用在环形人行天桥中具有一定的性能优势，可作为优化环形人行天桥结构的重要措施选项。

参考文献

[1]中华人民共和国建设部.城市人行天桥与人行地道技术规范(CJJ 69-95)[S].北京:中国建筑工业出版社.1996.

[2]谭兴丰,吴立峰,陈立一.大型环形人行天桥设计影响因素分析[J].城市道桥与防洪,2015,9:98-100.

[3]童景盛,陈红亮,李盈斌.大跨度环形人行天桥支座刚度对基频的影响分析[J].特种结构,2016,1:68-73.

作者简介：李 祥(1986-)，男，湖南怀化人，工程师，硕士研究生，主要从 事桥涵及市政结构设计。