钢结构人行桥梁的设计及结构内力的计算

钢结构人行桥梁的设计及结构内力的计算

成壮壮

安徽省交通规划设计研究总院股份有限公司  安徽省合肥市   230000

摘要：钢结构由于具有自重相对较小,工厂可分段预制、现场焊接拼装的施工工艺对环境影响较小等优点,在桥梁建设中得到了广泛的应用。但是钢结构桥梁普遍存在自振频率难以满足规范要求的情况，设计过程中，如果通过不断提高梁高或加大钢板厚度进行改变，不仅视觉效果方面不能满足要求，而且容易造成材料浪费。进行钢结构桥梁设计时，可以利用有限元数值模拟软件，根据不同梁体高度、不同结构形式多次建立有限元模型，进行计算比选，最终确定墩梁固结的结构形式，以最经济的方式减少梁高，提高桥梁自振频率。基于此，结合无锡市滨湖区某人行桥设计项目，开展钢结构桥梁的设计与结构内力的计算，以期设计出轻便实用、结构美观、施工简单，并且自振频率满足规范要求的钢结构人行桥。

关键词：钢结构；受力分析；振动频率；桥梁设计

引言

经过20世纪50年代诸多学者的研究应用，钢混叠合梁在桥梁工程中的实践形式得到了快速的发展，在桥梁工程实际应用中占据着较为显著的地位。但是，在桥梁工程设计过程中钢混叠合梁的设计原则不够明确，也缺乏明了的钢混叠合梁加固技术方案，影响了钢混叠合梁桥应用规模的拓展。因此，分析钢混叠合梁设计实践与加固技术途径具有非常突出的现实意义。

1工程概况

某桥梁设计项目位于无锡市滨湖区华清大道东侧、吴都路北侧、和畅路南侧。项目所在地块北侧入口处需规划建设售楼处及周边景观带，但需跨越秀水河与北侧和畅路连接，需设计一座桥梁横跨秀水河。拟建场地地貌属长江三角洲冲、湖积平原。项目所在地地质情况如下：（1）拟建场地区域地质条件稳定，无滑坡等不良地质作用和洪涝等地质灾害存在；（2）建筑的场地类别为Ⅲ类，拟建场地填埋河塘部位为对建筑抗震不利地段，其它部位为对建筑抗震一般地段；（3）抗震设防烈度为7度，设计基本地震加速度为0.10g，设计地震分组为第一组，设计特征周期值为0.45s；（4）地层土体分布较稳定，土层以粉质黏土为主，地基承载力介于120～200MPa之间。

2钢结构人行桥梁的问题

2.1耐久性问题

桥梁的耐久性也是道路桥梁在设计和施工过程中需要考虑的重要问题之一。要增强道路桥梁的耐久性，延长使用寿命，就需要有效对道路桥梁进行养护维修，这样不仅能够节约养护维修的成本还能够有效增加道路桥梁的使用寿命。然而从目前的情况来看，许多设计施工单位没有对道路桥梁的耐久性问题进行全面的考虑，导致其在使用过程中出现了许多问题。

2.2支座损伤

上部结构受到的地震惯性力会在支座作用下不断传递至下部结构，如果传递的荷载超出支座自身设计强度，则会使支座产生损伤与破坏。如果支座损伤，将造成落梁破坏。对桥梁的下部结构，一旦支座发生损伤能防止上部结构在地震荷载作用下发生破坏

2.3结构承载能力储备富余量不足问题

在具体的施工过程中，许多施工单位的工作人员没有严格按照设计的标准和要求进行施工，导致了道路桥梁在正常投入使用过程中由于结构承载能力储备余量不足，导致道路桥梁无法承受许多超载或者重载车辆的重量，在使用过程中对行驶车辆造成了严重的安全隐患。

3计算模型建立

采用CivilDesigner对桥梁进行设计，并以《公路桥涵设计通用规范》（JTGD60-2015）和《公路钢结构桥梁设计规范》（JTGD64-2015）为标准进行验算。进行实体建模可以较真实地反映桥梁整体变化、空间效应和局部应力传递机理，能够进行各种极限状态的受力分析及结构破坏的全过程分析。桥梁上部钢结构部分采用厚板单元模拟，桥台采用实体单元模拟，钢筋拉杆采用杆单元模拟，桥台桩基础采用杆单元模拟并模拟了土侧刚度。边界条件：桩基础模拟侧向刚度及竖向刚度。

4钢结构人行桥梁的设计

4.1结构设计

钢混叠合梁是混凝土桥面板、钢梁的组合体，桥梁结构设计安全等级需达到一级要求。基于此，第一跨、第二跨的截面总高度取2.35m，第三跨的截面总高度在1.86m~2.35m之间变化，变化形式为直线。同时，根据“工”字形钢混叠合梁桥面板有效应力分布宽度，设置开口箱型钢梁，横向跨越桥向布置倒梯形分离双箱，经横梁连接两箱。

4.2抗震概念设计

对于桥梁抗震设计，主要包含以下两方面范畴，即概念设计与参数设计。其中，概念设计指的是从概念角度入手确定抗震决策；而参数设计指的是通过计算和验算等给出具体的抗震决策。长时间以来，设计人员开始认识到尽管计算得如此精确，只要结构方案不合适，或构造措施不合理，仍然无法达到预期的抗震水平和能力，这使得相关领域的人员开始认识到概念设计的重要意义。但需要注意，概念设计与参数设计往往相辅相成，要想保证最终的抗震设计效果，必须对概念设计引起足够的重视，对抗震设计思想进行灵活运营，不可盲目计算。

4.3充分考虑桥梁结构的疲劳损伤

在道路桥梁工程设计完成并投入使用过程之后，其结构通常会因为外力而导致不同程度的疲惫损失等问题，损失主要是由于其结构经常受超负荷的载量，并且日复一日地累积，导致内部结构出现损伤所造成的疲劳损失问题。而且在施工过程中，所使用的材料也存在着一些微小的缺陷，在不断地循环荷载的作用之下，这些缺陷慢慢发展并结合到一起，从而导致了内部结构出现损伤，这些损伤如果没有经过及时的控制，可能会导致内部出现裂纹，更甚者可能出现断裂现象，所以在对道路桥梁工程进行设计时，要把疲劳损伤作为非常核心的问题来进行考虑，因为在道路桥梁的使用过程中，疲劳损伤所导致的安全隐患是非常巨大的。

5计算结果分析

5.1梁体应力值验算

模型计算基本组合下腹板应力值51.704MPa≤160.000MPa，满足《公路钢结构桥梁设计规范》规定拉/压弯构件腹板应力验算要求，梁体正应力值154.780MPa≤fd=275.000MPa，满足拉/压弯构件翼缘板弯曲正应力验算要求。

5.2动态调整设计参数

利用建立的有限元模型,选择锚箱板厚、腹板板厚、塔壁板厚、隔板数量等关键设计参数进行对比分析,根据计算结果分析各个参数变化趋势,选择经济合理的结构尺寸。由于设计过程中局部尺寸、荷载取值、拉索角度等参数经常变化,所以计算修改也要经历多轮调整。设计方案调整后针对板厚调整可以直接通过FEANX中“修改网格参数”功能实现;简单尺寸调整可以直接在FEANX中修改几何模型,然后局部划分网格计算即可;复杂尺寸调整可以通过Catia修改后重新局部导入几何模型,然后划分网格计算即可。

5.3计算结果总结

该桥梁钢箱梁构造设计、截面应力、桥梁振动频率、桥台基础验算等各项指标均满足规范设计要求，结构安全可靠。

结束语

在某人行桥设计项目中，在明确工程情况和总体设计方案的情况下，根据设计技术标准，进行了桥梁结构和施工步骤设计，分析了设计要点；通过采用数值计算软件，建立了桥梁结构内力计算模型，对数值计算的阶段进行了科学划分，分析了数值计算的结果。经过计算可知：桥梁钢箱梁截面应力、桥梁振动频率、桥台基础验算等各项指标均满足规范设计要求。严格按照设计的施工步骤开展施工，使得该桥得以顺利完成建设。目前，该桥已投入使用，造型优美且运行良好。

参考文献

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