浅析城市大跨度人行钢桥主梁结构设计优化研究

浅析城市大跨度人行钢桥主梁结构设计优化研究

莫建

德州市市政设施服务中心，山东德州，253000

摘要：在城市大跨度人行钢桥传统设计过程中，通常采用钢桁架或钢箱梁的结构形式，但由于受城市高架桥、立交桥等构筑物的限制，天桥设计时往往因主梁结构高度较高而无法满足要求。论文结合钢桁架及钢箱梁的结构受力特点，提出一种新型的组合结构形式，即采用钢桁架与钢箱组合的结构形式，用钢桁架来替代普通的天桥栏杆，从而达到降低主梁结构高度的目的。通过对比验算分析表明，采用钢桁架—钢箱组合结构既可有效减小人行钢桥的结构高度，同时又能满足人行天桥规范要求。

关键词：大跨度；人行天桥；钢桥；组合

引言：近几年，我国城市快速发展，城市人口不断增多，交通压力也越来越大。为解决城市交通拥堵问题，各大城市都在推进道路快捷化改造，改造的主要内容包括道路拓宽及增设人行天桥。增设人行天桥有利于实现人车分离，既能保障行人的安全，又能减少机动车的通行延误，从而有效地缓解交通压力。目前，在大城市中人行天桥通常设置在车辆和行人密集的主干道交叉口，主干道交叉口一般设置为双向8车道或10车道，路幅宽度在40～50m。对于有些道路隔离带采用栏杆而未设置绿化岛时，人行天桥中间则无法设置桥墩。此时，天桥结构型式大多设计为单跨简支钢桁架或钢箱梁结构，两端

简支在钢筋混凝土桥墩上。简支钢桁架天桥由于结构高度较高，通常与城市高架桥、立交桥等空中构筑物冲突。而简支钢箱梁由于建筑高度较高，通常造成下穿道路的行车界限不足。为解决这个问题，本文研究一种新型的结构形式，即结合钢桁架及钢箱梁的结构及受力特点，设计了一种钢桁架与钢箱梁组合的结构形式，并通过与钢桁架梁、钢箱梁分析比较论证了该结构的可行|生及梁高度的优势，具有实际应用价值。

1人行天桥设计规范要求

（1）天桥上部结构，由人群荷载计算的最大竖向挠度，不应超过下列允许值：梁板式主梁跨中L／600，梁板式主梁悬臂端L1/1300，桁架、拱L1800。其中L为计算跨径，L1为悬臂长度。

（2）为避免共振，减少行人不安全感，天桥上部结构竖向自振频率不小于3.0Hz。

2主梁结构形式设计及验算

2.1主梁结构设计

下面以50m跨简支梁为例，对3种人行钢桥主梁形式分别进行设计及验算。

2.1.1钢桁架主梁

根据以往设计经验，简支钢桁架人行天桥截面高度约为L/1O，因此根据桥梁计算跨度50m，取钢桁架高度为5m，结构总高即为5m。钢桁架上、下弦杆采用300mm*400mm*l2mm、300mm*600mm*l6mm焊接箱型截面，腹杆采用300mm*200mm*l2mm焊接箱型截面，上平联采用160mm*l60mm*6mm剪刀撑矩形钢管，下平联横梁在支座处采用250mm*250mm*10mm焊接箱型截面，其他部位采用200mm*200mm*10mm的矩形钢管。

2.1.2钢箱梁

根据试算，钢箱梁截面高度取2.85m，栏杆高度为1.1m，栏杆底座高度为o．15m，因此钢箱梁总结构高度为4.1。钢箱梁顶板、底板、腹板分别采用厚16mm、20mm、16mm厚钢板。每2m设横隔板1道，分强、弱横隔板交错布置，横隔板厚12ram。

2.1.3钢桁架一钢箱组合梁

为减小桥梁结构对上下建筑限界的影响，本文将普通栏杆设计成能够分担主梁受力的钢桁架栏杆，同时减小了钢箱梁截面高度。经试算，拟定钢桁架栏杆高度为1．3m，栏杆上弦杆采用直径350mm的钢管，管壁厚度为16ram，腹杆采用200mm*200mm*l2mm矩形截面。钢箱高度为2m，顶、底、腹板均采用厚度16mm钢板。钢箱每2m设横隔板1道，分强、弱横隔板交错布置，横隔板厚12mm。

2.2建模验算分析

根据人行钢桥主梁的结构构造特征，采用常用的有限元计算软件Midas Civil进行验算，求得各类型主梁的内力、变形及自振频率。相关设计参数：恒载包括主梁、桥面铺装、栏杆等自重；人群荷载取4kN／m2；主桥净宽4m；钢材均采用Q345B。 有限元模型如图1所示。

图1-1                  图1-2                图1-3

2.3计算结果分析

2.3.1静力分析

根据Midas软件计算结果，在承载能力状态下，各类型主梁最大拉压应力均远远小于Q345B钢材(≤16mm)设计强度3 10MPat2l。在正常使用状态下，人群荷载引起的最大跨中挠度均满足规范要求。

2.3.2动力分析

结构特征值分析采用子空间迭代法p1；在Midas结构类型中定义自重转化为质量；二期恒载转化为节点质量。由此计算各主梁自振频率，根据计算结果，各主梁自振频率均刚好大于人行天桥规范规定的3Hz。计算结果如表1所示。

表1主梁计算结果表

3三种主梁结构高度对比

三种主梁形式的结构尺寸均是在经验及试算的基础上拟定，起主要控制作用的自振频率均刚好满足规范要求，可以认为在同等条件下3种类型人行钢桥主梁的结构高度值均接近临界值。主梁结构高度对比如表2所示。

表2主梁结构高度对比表

从表2数据可以看出，钢桁架一钢箱组合梁的结构高度均小于钢桁架梁及钢箱梁高度。

结论：

本文结合钢桁架及钢箱梁的受力特点，提出一种钢桁架一钢箱组合梁结构形式。通过对比计算分析表明，该结构形式可有效减小人行钢桥主梁的结构高度，并满足CJJ 69—1995《城市人行天桥与人行地道技术规范》要求。钢桁架—钢箱组合梁对于桥上及桥下净空受限的城市大跨度人行钢桥设计中有其应用价值，可供同行参考应用。

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