某地24m跨钢桁架人行天桥结构设计与分析

2022-09-12

1、工程概况

(1) 本案例为重庆市万盛区某F1赛车场钢桁架人行天桥, 因赛车场特别是在赛事的时段内人流量大, 车况复杂、车速快等特点, 故考虑在赛车场入口处100m位置设计一座钢桁架人形天桥, 以疏散入口处集中的人流, 达到不耽误赛事和保证观赛者安全的目的。该天桥采用钢桁架结构, 跨度24m (桥面长30m) , 桥面宽5m, 净空高6m, 桥梁两端各设置两道人行钢梯 (见图1) 。

(2) 主要技术指标

a.桥面活荷载, 人群:5.0KN/m2;

b.桥面恒载 (1.0mm厚压型钢板+均厚150mm布筋砼+防水层+饰面层) :5.5KN/m2;

c.桥顶雨棚活载 (不上人屋面) :0.5KN/m2;

d.桥顶雨棚恒载 (玻璃屋顶含骨架自重) :0.3KN/m2;

e.钢楼梯活载:3.5KN/m2;

f.钢楼梯恒载 (5mm花纹钢板+35mm厚钢筋砼+饰面层) :2.3KN/m2;

g.栏杆荷载, 顶部水平荷载1.0KN/m, 竖向荷载1.2KN/m;

h.风压标准值:0.4KN/m2;

i.结构安全等级:二级, 使用年限50年;

j.地震设防烈度:6度 (0.05g) ;

k.温度设计值:无, 本案通过支座消除温度应力, 故温度变化不做考虑。

2、总体设计

(1) 结构布置

钢天桥全部采用Q235B材质钢型材, 以两榀下承式桁架做大跨度桥梁, 钢桁架跨度24m, 高3.5m, 下弦杆采用箱500X300X12X12箱型梁, 上弦杆及端斜杆采用箱350X200X8X8箱型梁, 斜腹杆及钢梯梁采用矩200X150X5矩管, 直腹杆采用方100X4方管, 钢桁架见图2。桥面钢梁采用矩200X150X5矩管和箱300X250X8X8焊管, 桥雨棚屋面钢梁及十字剪刀撑采用矩150X100X5矩管, 其余钢构件根据构造要求设置相应的规格尺寸型钢, 在此不做赘述。本段杆件规格尺寸单位为毫米。另外, 桥面及桥雨棚面除按1.5m间距设置钢梁外, 在轴号 (2) (3) 、 (5) (6) 、 (6) (7) 、 (9) (10) 钢梁之间设置剪刀撑, 在轴号 (2) (10) 钢桁架端斜杆处、 (5) (7) 钢桁架直腹杆处设置门楣撑杆, 以增加天桥横向刚度和结构的稳定。

(2) 支座设计

本结构各钢桁架梁两端各设计一个支座, 各钢梯中间休息平台下居中设计一个支座, 各钢梯与地面接触端分别设计两个支座 (见图3) 。具体桁架支座节点下部采用桥梁板式橡胶支座[1], 在三向铰接处设置钢板挡板来约束水平向位移 (图3左部支座设计为该支座) , 在弹簧支座处只约束横桥向与竖向位移 (图3右部支座设计为该支座) 。

(3) 附属设施设计

A.本工程考虑在桥顶面设计安装轻质透光材料遮雨棚, 坡度8%, 遮雨材料采用轻质透明PC耐力板, 因其质轻料软的特点, 可根据美观要求以造型。

B.主桥采用双向1%纵坡自然排水, 横向采用双向1%。[2]

C.桥面及钢楼梯栏杆采用钢板与钢管焊接而成, 颜色及防锈防腐与钢桁架等主体结构相统一, 栏杆应符合相关设计规范。

3、结构计算与分析

(1) 模型建立

根据建筑设计图在3D3S12.19软件空间任意模块中建立人行天桥空间梁单元模型, 全桥划分为271个梁单元, 141个节点, 所有杆件设置为刚接。依据钢结构设计规范GB50017-2003进行设计, 钢桁架杆件挠度控制值为L/800, 桥面及桥雨棚屋面钢梁挠度控制值为L/600, 钢梯梁及次构件挠度控制值为L/300。

(2) 结构分析

A.应力分析

根据计算分析模型, 进行规范检验, 检验结果表明, 应力比最大值为0.85。下图为模型总体应力比分布图图4。其中, 静力分析应力比最大荷载组合:结构自重+二次恒载 (桥面铺装及栏杆等) +人群荷载+风载, 计算结果强度应力比值0.76, 绕2轴整体稳定应力比值0.81, 绕3轴整体稳定应力比值0.85, 结构能够满足承载力计算要求, 即满足规范要求。

B.挠度分析

结构在恒载+人群活载作用下的变形情况, 最大竖向位移为22.5mm, 位置位于跨中处十字剪刀撑, 由于最大位移大于起拱控制挠度值为L/1600=15.0mm, 所以考虑该处构件在安装时应预先起拱, 其值采用恒载+人群活载作用下所产生的竖向挠度, 并应做成圆滑曲线。结构在荷载组合中最大竖向位移值为22.5mm, 小于最大控制挠度值L/800=30mm, 故满足规范要求。

C.特征值分析

结构特征值分析采用振型分解反应谱法, 通过平-扭耦连的多质点弹性体系CQC法按9种振型进行分析, 得出表一结论 (取出3种影响振型) , 其中振型1、振型5为水平横向振动, 振型7为竖向振动。根据为避免共振, 减少行人不安全感, 天桥上部结构竖向自振频率不应小于3Hz[3]的设计要求, 该结构竖向自振频率为1/0.22259=4.49Hz﹥3Hz, 满足规范要求。水平自振频率振型1和振型5分别为0.68Hz和2.13Hz, 则结构面内刚度大于面外刚度, 因结构跨度大、横向宽度小, 因此结构的面外刚度相对较小。

4、施工要点

主桥钢桁架及各段钢楼梯先在工厂加工制作完成, 然后运至施工现场吊装拼焊。全桥施工分三个阶段完成, 第一阶段, 施工桩基础、承台及桥墩, 预埋桥支座;第二阶段, 搭设临时安装支架, 运输钢桁架和钢楼梯等钢部件至施工现场, 设置标示标牌封闭施工区, 按照安装工艺流程分段吊装钢桁架及其他钢构件, 边拼装边焊接, 保证焊接工艺质量, 安装钢楼梯;第三阶段, 铺装压型钢板, 布置钢筋, 浇筑混凝土, 铺防水层, 安装栏杆及雨棚, 铺饰面层。

5、结束语

钢桁架结构的人行天桥在现代城市道路建设中采用特别多, 究其原因是结构安全合理、用钢量少、施工方便、环保节能等优势比混凝土结构更为明显。但是, 大跨度钢桁架结构天桥受控因素主要是竖向自振频率, 在结构设计过程中须合理布置桁架的高度, 严格按照规范要求控制高跨比, 使之既能满足使用要求, 又能满足结构稳定和刚度要求。钢桁架天桥可根据钢材可塑性高、截面小强度大等特点设计出外形美观、造型新颖的建筑效果, 不仅能满足使用功能上的要求, 而且能很好的与周围环境、建筑共同搭配成一道新的靓丽风景。

摘要：以重庆市万盛区某F1赛车场24m跨钢桁架人行天桥为研究对象, 通过同济大学研究的3D3S12.19结构分析软件对该天桥进行整体建模分析, 详细介绍了人行天桥的总体设计、结构分析与计算和施工要点, 总结出了相关的设计经验, 并对其他同类型钢结构天桥设计都具有借鉴和参考意义。

关键词：人行天桥,钢桁架,设计,施工