岳麓区钢箱梁人行天桥设计

岳麓区钢箱梁人行天桥设计

骆俊杰廖华国

中机国际工程设计研究院有限责任公司湖南省长沙市410021

摘要：为适应长沙市咸嘉湖路嘉桐街附近过街人流要求，在咸嘉湖路西子湖畔小区附近设置一座钢箱梁人行天桥，本文采用MidasCivil2015有限元软件进行计算分析，并对钢箱梁人行天桥结构设计及计算内容进行了简要阐述，可供城市钢箱梁人行天桥设计借鉴。

关键词：人行天桥；钢箱梁；结构计算

0前言

伴随着国民经济迅猛发展和城市化水平的提高，各城市大幅增长的车流和人流，已经与城市有限的公共交通空间产生了直接矛盾，以往对车流和人流单纯采用时间差(即交通信号灯控制)进行疏导和管理的设计模式，已经不能适应城市发展的需要。经济合理地设置人行过街地道与天桥，对于缓解交通拥挤，提高交通安全度、繁荣商业活动有积极影响[1-2]。

1工程概况

为适应长沙市咸嘉湖路嘉桐街附近过街人流要求，在咸嘉湖路西子湖畔小区附近设置一座钢箱梁人行天桥，天桥全桥采用钢结构，主跨布置为单跨简支梁，桥梁全长38.5m，计算跨径为34.3m，一跨跨越咸嘉湖路，距离金星路人行道320m。钢箱梁总宽5.0m，净宽3.5m，人行梯道总宽3.0m，梯道采用1：2.5的坡比。天桥两侧、梯道内侧设计了50cm立体绿化空间[3-4]。

主桥上部结构为单跨单箱单室结构钢箱梁，梁高1.4m，顶板宽度为4.0m，底板宽度为2.2m，边腹板斜置，顶板悬臂宽度为0.55m，两侧设置花槽。顶板采用14mm的钢板，腹板采用12mm厚的钢板，底板采用12mm厚的钢板。在钢箱梁两端，为方便梯步、坡道与箱梁的连接，截面变为矩形箱梁截面。为节约用钢量，采用正交异性桥面板，顶板、腹板、底板均采用1/2个Ⅰ25a工字钢作为纵向加劲肋，顶、底板纵向加劲肋间距约为300mm；每隔1.75m设置一道横隔板，横隔板采用12和16mm厚钢板；在腹板外侧与横隔板对应位置，采用厚度12mm的横向加劲肋加劲顶板的悬臂部分。

天桥两侧各设两个梯道。梯道全宽3.0m，其中净宽为1.8m，内侧设0.5m宽花槽、0.2m宽栏杆和0.3m推车道。梯步采用两跨连续钢梁结构，钢主梁布置在梯步两侧，由两根[28b槽钢焊成“□”形，高为0.304m。每级梯步下设[5槽钢支撑，槽钢焊接在主梁上。梯步梁支座处设置2根[25b横梁，焊接成“工”形。另外，桥台后设素混凝土梯道与现状人行道接顺。主桥桥墩采用双墩混凝土墩柱，墩径为1.0m，下接人工挖孔桩基础，桩径为1.2m，暂定设计为摩擦桩。梯道采用混凝土柱接扩大基础，梯道墩径0.4m。雨棚上弦杆镂空处设置阳光透明板。桥墩与主梁间采用支座相连。天桥蝴蝶型雨棚支撑采用工字断面,顶棚采用透明阳光板。桥墩与主梁间采用支座相连。

图1桥型布置图

2建设条件

2.1气象水文概况

（1）气象

长沙地区属中亚热带湿润季风气候区，四季分明、雨量充沛。据长沙市气象站资料统计：多年平均气温17.4度，日平均最高气38.1度，日平均最低气温0.4度，7月份平均气温28.5度，极端最高气温40.6度，（1963.8.31），1月份平均气温6.1度，极端最低气温-10.1度，（1977.1.30）；年平均相对湿度79.5％，年最小相对湿度14.2％，常年主导风向为东南风，每年5～9月为雨季，多年平均降雨量1394.6mm。

（2）水文

场地内地下水判断可能孔隙水，主要受大气降水和地下径流补给。经调查，场地及其附近未发现环境水污染源存在。

2.2工程地质条件

拟建工程位于咸嘉湖路，地势较平坦。根据《中国地震动峰值加速度区划图》(GB18306-2015)和《建筑抗震设计规范》（GB50011－2010）拟建工程场地的抗震设防烈度为6度，设计地震动峰值加速度为0.05g，地震动反应谱特征周期为0.35s，设计地震分组为第一组。本工程按地震烈度6度设防，局部构造可按7度设防。

3结构设计

3.1主要技术指标

（1）人群荷载：3.5KN/m²；

（2）栏杆设计荷载：水平力2.5kN/m，竖向力1.2kN/m；

（3）桥面宽度：5.0m，两侧各设置0.5m的立体绿化带；桥梯梁宽度3.0m，内侧设置0.5m的立体绿化带；

（4）桥下净空：机动车道≥4.5m；

（5）桥面坡度：双向1.5％纵坡,双向1％横坡，人行梯道1：2.5；

（6）地震烈度：动峰值加速度0.05g,对应地震基本烈度为6度。

（7）桥梁设计基准期为100年，设计安全等级为一级，设计环境类别为I类，钢结构防腐设计年限为20年。

3.2荷载组合

成桥阶段主要考虑以下荷载组合：荷载组合1：恒载+沉降+人群荷载；荷载组合2：恒载+沉降+人群荷载+活载风+体系升温；荷载组合3：恒载+沉降+人群荷载+活载风+体系降温；荷载组合4：恒载+沉降+百年一遇风荷载。荷载组合1为主力组合，荷载组合2～4为主力+附加力组合[5]。

表1容许应力提高系数

4结构计算内容

4.1模型简介

采用MIDAS/CIVIL2015版本，钢箱梁与蝴蝶型雨棚共同建模，采用空间杆系单元建立模型，共计205个单元，支撑处放置支座。计算结果如下：

4.2支座反力

桥墩组合最大支撑力为1257.6kN，每个支座反力为1257.6/2=628.8kN,小于梯道GYZ300mm×74mm支座661kN承载力，满足要求。

图2计算模型

图3模型应力云图

4.3应力验算

根据《钢规》按基本组合验算结构的强度：主梁最大正应力（底板下缘）为54.1MPa<210MPa（满足规范容许应力要求）。

4.4整体稳定验算

根据《钢结构设计规范》第4.2.1和第4.2.4条，h/b0＝1.4/2.5＝0.56＜6，且l1/b0＝34/2.5=13.6＜95×(235/fy)=65，故可不计算整体稳定性，根据规范的构造要求满足整体稳定性。

4.5局部稳定验算

根据《钢结构设计规范》第4.3.1和4.3.2条，h0/tw＝1.4/0.012＝117>80需配置横向加劲肋。h0/tw＝1.4/0.012＝117<150，只需按构造布置适当纵向加劲肋。纵横向加劲肋布置详见图纸。

4.6挠度计算

根据《城市人行天桥与人行地道技术规范》对结构和构件的变形控制，天桥上部由人群荷载计算的最大竖向挠度容许值[vT]＝l/600。

根据计算人群荷载挠度为22.5mm＜34300/600＝57.2mm，故结构挠度验算满足要求。

4.7自振频率验算

计算得到天桥一阶竖向自振频率为3.49HZ＞3HZ，故箱梁自振频率满足规范要求。

4.8雨棚风载抗浮验算

雨棚平面投影面积为39.45×5.7=224.9㎡，根据《公路桥涵设计通用规范》JTGD60-2004与《建筑结构荷载规范》GB5009-2012，长沙市百年一遇基本风压为0.4kpa。C类粗糙度，高度10m，阵风系数取，局部风压体型系数，风压高度变化系数，设计风压为。

雨棚风载产生的上拔力F=224.9×1.43=321.6kN。假设全部由主墩处雨棚型钢焊缝承担，则每处承担的上拔力为F/2=321.6/2=160.8kN。焊缝为一级角焊缝，焊缝高度8mm，Q345钢角焊缝抗拉强度为200MPa。焊缝长度按60hf=60×8=480mm考虑。焊缝拉力为480×8×0.7×2×200/1000=1075.2kN>160.8kN,远大于雨棚风荷载产生的上拔力，故雨棚抗浮满足要求。

4.9人行梯道结构验算

（1）荷载组合

按钢结构受弯构件进行设计，计算情况包括：基本组合强度验算，挠度验算；

（2）计算方法概述

根据荷载组合要求验算各项内容是否符合规范要求。验算部分主要有：应力、挠度。

（3）计算模型

结构计算、施工模拟分析以设计图纸所示跨度、跨数、断面尺寸及支承形式为基础，主梁中的各横隔板及加劲板采用集中荷载形式加在相应节点位置，其余有关计算参数和假定以现行国家有关设计规范规程为依据。

计算模型共分50个单元,51个节点，支撑处放置支座。

图3计算模型

图4模型应力云图

（4）支承反力

组合最大支撑力为112.3kN，小于梯道GYZd150支座221kN承载力，满足要求。

（5）应力验算

根据《钢规》按标准组合验算结构的强度：

由于梯道梁为上下缘对称截面，故主梁最大正应力为138MPa<210MPa（满足规范容许应力要求）。

（6）挠度计算

根据《城市人行天桥与人行地道技术规范》对结构和构件的变形控制，天桥上部由人群荷载计算的最大竖向挠度容许值[vT]＝l/600。

根据计算人群荷载挠度为14.9mm＜9650/600＝16.1mm，故结构挠度验算满足要求。

4.10下部基础验算

（1）单桩荷载计算

桩基荷载按规范取上部结构支反力标准组合值，并考虑桥墩、承台自重、桩基自重与置换土重的差值。主墩单桩桩顶反力计算如下：

主墩1.0m桩基：1257.6/2+3.14×0.3×0.3×5.6×25+3.14×0.5×0.5×16×（25-18）=756.3kN

（2）单桩承载力验算

按《公路桥涵地基与基础规范》5.3.3条验算：

桩径1.0m、桩长16m桩基容许承载力：[Ra]=0.5×3.14×1.0（40×3+80×8）=1193.2kN>756.3kN(满足要求)

对于梯道扩大基础，地基承载力只要满足图纸给定的承载力即可满足要求。

由以上验算可以得出，该天桥设计满足规范要求。

5结语

人行天桥的选址应科学，尽可能结合公交站台、学校、商场等人流量较大的出入口位置，以最大程度方便行人通过街道，其桥型选定及桥型布置需要重视功能需求，即以人为本，为行人提供方便。同时，钢箱梁人行天桥方案设计应充分摸清道路周边的管线情况，对桥墩、梯道等着落点应充分考虑，合理选择。最大程度避免由于地上或地下管线原因，导致天桥方案无法实施，倘若变更，钢箱梁设计工作量较大，这也是钢箱梁天桥设计的不利因素之一。

钢箱梁人行天桥刚度大，竖向自振频率高，同时可以与商业广告很好的相结合，既经济又具有美观性，是修建人行天桥的较好方案。

参考文献

[1]刘士洋,张学富,张斌,丁燕平.某人行天桥钢箱梁结构性能检测与分析[J].西华大学学报(自然科学版),2018,37(06):67-72.

[2]袁腾文.钢箱梁人行天桥承载力检算实例分析[J].公路与汽运,2018(02):141-143+148.

[3]徐锦.连续钢箱梁人行天桥的设计与应用[J].公路交通科技(应用技术版),2016,12(12):81-82.

[4]吴敏英.钢箱梁型在人行天桥工程施工的应用[J].江西建材,2017(16):29+31.

[5]赵磊.钢结构人行天桥结构设计简明计算全过程分析[J].山西交通科技,2015(01):51-54.