人行天桥的设计要点及工程实例

刘志贵 胡松涛

（1.郑州市市政工程勘测设计研究院，河南 郑州450046；2.河南高速公路发展有限责任公司 南阳分公司，河南 南阳473000）

随着城市的快速发展，带来大量突出的交通矛盾急需解决，尤其在城市干道沿线的部分路段或交叉口附近，行人过街难的问题日渐突出。为提高城市路网通行能力，确保行人过街方便，城市人行天桥与地道的建设日益增多。 相比起人行地道的建设，人行天桥具有建筑结构简单、工期短、投资较少、施工较易、施工期基本不影响交通和附近建筑的安全，与地下管线的矛盾解决、维护方便等优点。但老式人行天桥仅从满足人流交通需求出发，忽视天桥的景观设计，建成后与周围环境不协调。 而城市景观人行天桥设计概念的引进，已使天桥的作用不仅仅为满足交通需求，更进一步使天桥建成后可成为城市中一道新的风景。 人行天桥在城市建设项目中虽是小项目，但因为它处在城市市区，直接为人们所使用、观赏，其选址、外形、结构等也很受关注。

下面着重谈一下天桥设计的要点， 并以郑州市黄河路-文化路环形钢结构天桥为例，介绍钢结构天桥设计中应注意的问题。

1 天桥的选址

天桥的选址问题关系道天桥能否真正发挥作用，影响选址因素很多，道路性质、地下管线、过街需求等。

天桥梯道落地位置对天桥选位也有很大影响，特别是当天桥仅可能单侧设置梯道时。由于规范规定人行道最小宽度为3m，即便依此计算，梯道宽度也应为天桥宽度的1.2 倍即3.6m；而一般人行道宽度为3～5m，如单侧设置梯道则人行道全部或大部被侵占。 由此造成天桥选位的极大困难。 天桥的选位应优先考虑满足交通需要和行人的便利。但是,对于城市中心区，由于周围环境和建筑物的限制，以及地下管线等的影响，通常理想桥位在设计和施工上都存在一些需要克服的困难或难题。

2 天桥的桥型

城市人行天桥不同于一般桥梁，它是当地行人和附近居民接触最频繁的建筑物，人们在近距离内看到它的机会很多，故应使人行天桥具有远观和近视美。 将人行天桥的建筑造型与周围建筑相协调，溶入周围环境之中，其次还要考虑天桥的色彩和铺装，不使天桥在现代化建筑或其它优美典雅的对比之下相形见绌。

天桥建筑风格通常定位于“城市小品”，这是一个很高的要求，很难轻易达到。人行天桥平面布置应遵循“简单、对称”的原则，争取与周围建筑物协调统一，曲线过渡自然圆顺。 跨越路口的天桥由于其净高受四周道路的控制,其桥面通常是水平的；而“一”字形天桥其桥面有可能是水平的或变高的。 桥面采用变高可以降低梯道的高度，相应也减少了梯道的长度。

3 天桥的结构形式

根据天桥所处位置的不同，可选用多种结构形式。 连续梁、桁架、拱桥等都是可供选择的结构形式。

一般来讲，在交叉口选用环形钢箱梁桥，该种结构形式跨度加大、受力简单明确；钢板焊制箱梁结构的使用大大改善了施工期间的交通问题，该种结构形式已在城市绝大多数人行天桥及部分钢制车行桥梁中采用。 这种结构的人行天桥可在工厂制造，而后分段运往现场吊装拼接即可。 其特点是：截面高度小但刚度大，人行震动小且坚固耐用，增加行人的舒适感，桥体线条流畅、简洁轻盈、造型美观舒适大方，可造性强，易于与周边环境相统一协调。

在直线路段选用混凝土连续梁桥，该种结构形式造价较低，施工方便。 普通钢筋混凝土结构易于就地取材，耐久性好，刚度大，具有可模性等优点，适用范围非常广泛；预应力钢筋混凝土结构可使高强钢材和高标号混凝土的高强性能在结构中得到充分利用， 降低结构自重，增大跨越能力。但这两种结构形式均需要长时间占道施工，对于一座交通流量以达饱和的城市来说，交通压力太大了。

在商业区选用钢桁架或提篮拱结构，该种结构形式，造型美观，能与周围景观较好协调。 天桥的桁架结构可采用焊接钢管桁架结构，管桁架目前在建筑结构得到较多的采用。 该种结构造型新颖美观，能使天桥的顶棚和下部主桥浑然一体，有效的利用顶棚的高度。

4 天桥的结构设计

4.1 自振频率

人行天桥的主要活荷载为行人。 行人在行走时有其步行频率，步行频率不论男女老幼,差别不大，一般约为2Hz 左右。为避免主桥的固有自振频率与步行频率较接近而引起主梁振动及挠度过大，引起行人感到不适，甚至危及天桥安全，因此，《城市人行天桥与人行地道技术规范》规定，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。

4.2 强度、变形

无论混凝土天桥还是钢天桥都要满足强度的要求。预应力混凝土天桥要验算持久状况承载能力极限状态下的抗弯、抗剪、抗扭；需要验算持久状况正常使用极限状态下抗裂验算、裂缝限值验算、挠度验算。钢天桥天桥要验算强度、整体稳定、局部稳定；要计算疲劳问题；要计算焊缝连接等。

4.3 预拱度

对于连续梁的预拱度， 应在结构重力下足以抵消结构重力的挠度，使桥面保持平顺。特别注意不能在中墩处使桥面形成尖角。对于钢结构，计算挠度时不考虑纵向加劲肋的作用，纵向加劲肋变形不符合平截面假定。

5 设计实例

下面以郑州市黄河路-文化路人行天桥为例， 介绍一下天桥的设计过程。

5.1 工程位置

本项目处于城市主干道文化路与黄河路交汇处，人口密集，东北角为华联地下超市；东南角商务楼底层为麦当劳餐厅；西北角为亨德商务办公楼，底层郑州市信用社、创业百货、重庆小火锅等商业场所；西南角为河南省会计学校教学楼，底层为商铺。

图1 工程位置示意图

5.2 现场交通

本项目周边多为学校、医院及商业设施，交叉口附近区域有华联超市、麦当劳餐厅、亨德商务写字楼等商业办公场所，人流密集，行人过街需求量较大。黄河路和文化路是郑州市东西向和南北向城市主干路，交通地位重要，路段车流量大，尤其是在两路的交叉口人流密集，虽然有过街斑马线，但仍存在行人随意穿越，交通秩序杂乱的现象，人车冲突问题严重， 对道路交通运行质量和交通安全构成了严重威胁，因此在此交叉口修建人行过街设施已是当务之急。

5.3 现场管线

经现场调查，天桥工程范围内管线共有雨水、污水、自来水、通讯、电缆、热力等6 种管线。 管线位置如下：

本次工程需要迁移的管线： 黄河路热力管线中南16.5m， 管径DN500（双管）;文化路中西15m 中国联通电缆处于天桥梯道范围，应向西迁移。

5.4 技术标准

（1）桥下净空：5.5m；

（2）桥宽：主桥全宽4.3m，净宽4m；

（3）梯道全宽2.8m，净宽2.5m；

（4）设计荷载：人群荷载：4.5kN/m2，风荷载：0.5kN/m2；

（5）地基承载力≥120kPa；

（6）极限温差：t=±35℃；

（7）自振频率：＞3Hz；

（8）坡度：主桥：纵坡i≥3‰、横坡i≥1%；

（9）梯道：纵坡i=1:2.5。

5.5 总体设计

方案设计考虑缓解黄河路和文化路的交通压力，在满足功能要求的同时整体造型简洁明快，结构形式经济合理。

梯道布置因地制宜，在人行道较窄的东北角布置自动扶梯，扶梯一端落在华联地下超市的顶板；在其他三处，梯道布置尽量靠近路缘石，减小梯道对临街商铺的影响。 布置梯道时要考虑尽量避让地下市政管线，对于可以部分压在梯道基础之下的管线，应对基础做特殊设计。

由于要兼顾两条主线的交通，设计采用钢结构环形天桥，桥梁平面如下图所示：

图2 天桥平面图（单位：cm）

图3 天桥效果图

5.6 结构计算

5.6.1 结构概况

本工程主桥采用环形天桥，共设有8 个桥墩。 其结构受力模式为连续梁受力结构。 主桥轴线全长158.84 米。 桥梁全宽4.3 米，净宽4.0米。 梯道全部为直线型梯道，梯道全宽2.8 米，净宽2.5 米。

主桥采用等截面钢箱梁，梁高均为1.6 米。 箱梁内部设置横隔板和纵向肋板。

截面形式：主梁箱梁截面为带悬臂的箱型断面，按单箱双室布置。

图4 天桥钢箱横断面图（单位：cm）

5.6.2 建模计算

采用有限元计算软件Midas 建模，四个桥梁支座的采用1 个固定支座，2 个单向支座和1 个双向支座，边界条件也按此建立。

计算温度：整体降温20℃，整体升温25℃，顶板升温5℃，温差效应参照BS5400（英国标准）取值。

人群荷载取为4.5kN/m2，风荷载：0.5kN/m2。

二期恒载：桥面铺装按厚10cm 砼考虑，宽4.3m，荷载集度为g2=0.1×4.3×25=10.75kN/m；

5.6.3 结果分析

1）强度

根据计算最大弯矩为8499kN.m，最大剪力为1154kN，计算梁最大弯曲应力为85.2MPa。

钢箱梁计算结果中跨中断面最大应力值均小于295MPa （规范要求的Q345 钢设计容许弯曲应力[σw]）。 截面正应力应力满足规范要求。

钢箱梁剪力控制断面的剪应力检算：

支点剪力：Qmax=1154kN

支点剪应力：τ=VS/（I tw）=1154×0.125×1000/（0.257×0.044）=19.68MPa

计算结果中支点最大剪应力为19.68MPa，小于170MPa（规范要求的Q345 钢设计容许剪应力[τ]）剪应力满足规范要求。

上述计算结果表明， 按平面计算分析结构的整体应力水平较小。考虑到本桥结构使用功能上的重要性，设计认为采用较大的安全富裕度是必要的。 同时，钢箱梁顶板尚存在第二体系（横隔板体系）和第三体系（盖板体系）的局部应力，因此保持顶板的较小应力水平是合理的。

2）挠度

Midas 计算钢箱梁的变形计算结果见表1：

表1 钢箱梁变形计算结果(L=46m)

结构的恒载挠度及活载挠度的合计值为36mm，通过设置预拱度克服，预拱度设为50mm。 结构的最大活载挠度为14mm，挠跨比为1/2371，小于规范要求的1/600，结构刚度满足规范要求。

3）整体稳定

根据《钢结构设计规范》4.2.4 条

h/b0=1.6/2=0.8≤6，l1/b0=45/2.3=19.56≤95×235/345=64.7， 不需要计算整体稳定

4）梁的局部稳定验算

B0/t=350/20=17.5≤40×（235/fy）0.5=33

因此，纵肋间距满足要求。

5）自振频率验算

Midas 特征值分析结果如表2：

表2 天桥阵型频率

计算得f1=3.99Hz＞3Hz，满足要求。

6 结语

城市中心区的人行天桥是与城市生活紧密相连的，设计、建造能融入城市整体环境的天桥是桥梁工作者的责任。 本文着重从天桥的选址、天桥的桥型、天桥的结构形式、天桥的结构计算等四方面介绍天桥设计中应注意的问题，同时用工程实例将普遍原则具体化，更有针对性地说明了钢结构天桥设计的流程，为工程设计人员提供了借鉴。

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［2］余凤翔.城市人行天桥设计上几个问题的探讨[J].城市道桥与防洪，2004（2）.

［3］蔡叶澜.人行天桥的造型设计[J].福建建筑，2001（1）.