钢桁梁人行天桥设计

钢桁梁人行天桥设计
杨功勤
摘要：人行天桥是城市中立体交通较常见的形式。本文通过对某钢桁梁人行天桥具体设计过程的介绍，把钢珩梁截面尺寸与结构竖向自振频率的关系进行了分析，对钢珩梁设计内容进行了归纳，对桥墩设计从自振频率的角度提出了建议，供今后类似设计参考。
关键词：天桥；钢桁梁；自振频率；
一、概述：某市一条主干道，道路两边均为大规模的住宅区，且在道路两侧设有公交车站，车站边为十字路口，人流密集。交通部门设置有人行横道线，但是因为和城市主干道交叉，人行道通行极不安全，群众和道路主管部门都强烈要求设置人行过街通道。现状道路48米宽，两幅双向，中间有栅栏分隔带；规划红线60米，三幅双向，中间为机动车道，两侧非机动车道。现状道路和规划道路不一致，如按现状设桥，可在分隔带上设墩，但和规划不符；按规划设桥，两侧设墩，现状无法实施。经主管部门审批认可，采用单跨天桥跨越主干道。
二、桥式比选
我们选取中（下）承式拱、简支钢桁梁、简支钢箱梁、地锚式悬索桥等几种桥式比较。主跨桥墩不能侵入红线范围，主桥跨度应不小于62米（墩直径约1.5米）。本段以下2个方面的来探讨。
1、拱桥及其它 ：62米跨度的拱桥，矢高按跨度的1/7估算，约10米高。如为下承式，拱梁自平衡水平推力，但十米拱高加上桥下不小于5.5米的净高，全高达十五米多，显然建筑显得过于庞大。如为中承式，高度可降低，但平衡拱脚的水平推力较难。且既有道路车水马龙，不堪重负，拱桥施工，拱圈和桥面系要另设施工平台，对桥下交通的干扰极大。地锚式悬索桥和拱桥一样，为平衡主缆拉力，须设置强大的地锚，周围稠密的建筑环境也难允许桥面系的施工。
2 钢桁梁或钢箱梁
钢桁梁或者钢箱梁，可以预制后吊装，对交通干扰最小，工期短。跨度62米的简支钢箱梁，梁高不小于两米，桥梁自重由于跨度大，吊装重量大，施工较困难。钢箱梁需要大量的现场焊接工艺，也是现场环境所较难满足的。综上分析，采用下承式钢桁梁。
三、竖向自振频率分析
将节间距离、桁架高度等因素作为变量，分别计算与结构竖向自振频率的关系。模型为64米跨度、简支钢桁梁，桥宽6米，两片等高主桁。结果见表1：
桁高（米） 节间距离（米） 竖向自振频率（Hz ）
 

 

表1　桁架桥自振频率变化表（节间距离）
按照城市人行天桥相关规范要求，天桥竖向自振频率不小于3赫兹。结果表明，钢桁梁的自振频率，主要因素是桁高，随着节间距离的增加，频率也提高。析节间距离增加，自振频率提高的原因，见下面推导。将桁梁比拟成刚度相等的常截面实腹梁，实腹梁的抗弯刚度EI由桁梁与等值梁在最大特性点处的挠度相等这一条件来决定。
简支钢桁梁的跨中挠度如下式（参考[2]）：

 

式1说明：钢桁梁的自振频率和跨度及跨中挠度成反比。跨度不变，跨中挠度（按式2）与杆件面积成反比，因此，竖向自振频率和杆件面积成正比。八米节间距离的桁架，杆件截面尺寸大，自振频率高。
四、结构检算
1 、结构尺寸
等高度钢桁架结构，横向两片主桁，主桁横向通过上下平联连接。计算跨度64m，桁高5m，桁宽6.3m，节间距8m。采用工厂分节段制造，现场用高强度螺栓拼接。主梁纵向8个节段。为方便运输，每节段横向分成两块，现场吊装前，横向两块组装成整节段，再顺桥向拼接两个节段（16m）。主梁设有预拱度。结构尺寸略。
2、 桥梁检算
梁部检算七个方面，杆件强度、杆件连接、刚度、疲劳、动力、桥面板强度、结构整体稳定计算。
结果表明，钢桁梁的杆件强度、连接强度、疲劳等，都有较大的安全系数，但竖向自振频率，在考虑的附属结构重量后，为3.05赫兹。桁高因美观等因素，不宜过高，为保证竖向自振频率不小于3赫兹，结构尺寸需选用更大截面。
3 、预拱度设置
钢桁梁在自重和一半的活载作用下，跨中下挠度为58.8毫米，需设置预拱度。用加长上弦杆的办法设置预拱度。假设每节上弦杆的增长值是。预拱度值是f，桁梁高度是h，全桥跨度为L，节间距离为d，则


 

――――式5
从设置预拱度来看，大节间距比小节间距在设计和施工中都要方便得多，应该作为节间距离选择的一个因素。
4、 施工组织
钢桁梁主桁在工厂里拼装成16米一榀，用汽车运输到桥位处，考虑到现场交通情况我为了避免施工受到制约。在现行道路中间设置临时墩，将钢桁分成32米的两跨。利用夜间车辆少的机会，加强交通管制，将32米的主桁吊装到桥墩上，利用中间墩，将两个32米钢桁拼装成64米主桁，再拆除临时墩。螺栓连结不需要很大的操作平台，不需要太多的电力设备，安装时间短。预计钢梁一周内就能施工就位。
五、横向刚度探讨
目前的公路、城市桥梁规范中，桥梁的横向刚度没有明确的规定。从计算来看，梁体的横向刚度都很大，本桥横向一阶自振频率达的5.5赫兹。因此，对横向刚度产生影响的还有桥墩的横向刚度，需要分析。
人行天桥的桥墩应当注意其横向自振频率的控制，避免在某种可能发生的激励（如人的反复摇晃）下产生明显的令人不安的振幅。
考虑到当梁部架上桥墩后，虽然增加了墩顶的集中质量，同时也增加了桥墩的横向约束。为了避免过于复杂，建议只算未架梁时的桥墩自振频率。以人感到舒适为原则，参考《铁路桥隧建筑物修理规则》，桥墩横向自振频率不小于下式：
 

 

如果根据以上公式要求，将桥墩直径加大到1.2米，桥墩横向自振频率应不小于1.97Hz。桥墩实际自振频率为2.0赫兹，满足要求。
六、结论及建议
大跨度人行天桥，采用钢结构形式是合理的。如果采用钢桁梁的结构形式，主要控制设计的是梁体竖向自振频率。桁高是决定自振频率的关键因素，而节间距离越大，结构截面尺寸越大，竖向自振频率也越高。按本桥的计算结果，桁高如果与桥跨的比值不小于1/13，则钢桁梁基本能满足3赫兹的竖向自振频率要求。人行天桥在横桥向也应注意自振频率的控制，避免让行人产生不安全感。钢桁梁的梁部在横桥向自振频率很大，而桥墩容易做得相对较细，刚度低，导致横向刚度不足， 产生过大的横向振幅。
参考文献:
[1] 童森林.桥梁设计算法新解 北京  中国铁道出版社 1998年
[2] 李国豪.桥梁结构稳定与振动(修订版) 北京  中国铁道出版社 1996年
[3] 铁路桥隧建筑物修理规则 北京 2010 年
[4] 李富文.伏魁先.铁路钢桥 北京 中国铁道出版社1986 年
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