大跨度弧形连续钢箱梁天桥计算分析

引言

目前我国正处于城市轨道交通建设繁荣时期，地下地铁车站埋于地下，连接地铁车站主体各出入口通道兼有过街功能，地面高架车站，需架设人行天桥过街。钢结构天桥是现阶段发展趋势，其根本优点是施工快捷，对既有交通干扰小，跨度大、断面小、自重轻，钢材塑性和韧性好，抗震性能好，质量容易保证，可重复利用，桥身造型多变。查阅相关资料，研究人行天桥结构设计较多，天桥结构形式也较多，但研究大跨度弧形连续梁人行天桥较少。本文结合武汉市轨道交通1号线竹叶海站大跨度弧形钢箱梁天桥结构设计实例，归纳大跨度弧形连续钢箱梁天桥结构设计经验总结。

1 工程概况

实例工程天桥主体为带悬臂双箱全焊钢箱梁结构，天桥全长96m，三跨连续钢箱梁，跨度为13.5m+43.2m+36.3m，端头悬挑3m，桥面宽6m，箱梁高度 2.1m，钢材选用Q345B钢，天桥柱采用钢管混凝土双柱墩。本实例工程属于城市轨道交通高架车站附属出入口兼人行过街天桥，天桥上有雨棚顶盖，天桥标准断面形式采用图1所示。

图1 天桥标准断面图

2 数值计算模型

结合实例工程所处位置，本研究计算模型参数如:①据《地铁设计规范》GB50157-2013，天桥桥面活荷载取4.0kN/m2，输入计算时需考虑活荷载不利布置;②由于结构超长，需考虑温度作用，查阅《建筑荷载设计规范》GB50009-2012，结合实例工程地理位置，本研究模型温度荷载选用±30℃加载，合拢温度为20℃;③据《建筑抗震设计规范》GB5011-2010，本实例工程需考虑地震作用，参数如下:设防烈度为6度，基本地震加速度值为0.05g，设计地震分组为第一组，场区特征周期0.4s，水平地震影响系数最大值0.063;④过街人行天桥属于市政工程，结构设计需执行《城市人行天桥与人行地道技术规范》CJJ69-95，据此规范，本研究模型需加载汽车撞击力，据规范计算公式，平行行车方向按363KN加载，垂直行车方向按175KN加载，撞击作用点位于路面以上1.8m处。

本研究模型采用MIDAS CIVIL软件进行三维整体计算，三维计算模型如图2所示。据饶波[1]研究成果表明，整体受力分析，梁单元方法与板单元方法趋于一致，梁单元方法操作简单，易于掌握，但局部应力集中处需采用板单元确定。本研究模型采用梁单元分析，局部弧形顶端采用板单元计算分析，墩柱与钢箱梁之间用橡胶支座连接，研究模型采用弹性连接件模拟橡胶支座，钢箱梁与两个橡胶支座采用主从节点刚性连接。

图2 三维计算模型

3 数值计算结果

(1)计算指标研究。据饶波[1]研究成果，结构自振频率随梁高的增高、基础刚度及墩刚度增大而增大，箱梁底缘宽度对结构自振频率影响不大。本研究模型分析比较了梁高对大跨度弧形连续钢箱梁结构自振频率影响见表1。据分析比较结果，本实例工程选用钢箱梁梁高2.1m，梁高取值约1/21L，L为连续梁最大跨度。

表1 箱梁高变化对结构自振频率影响

结构设计需执行《城市人行天桥与人行地道技术规范》CJJ69-95，据此规范要求，本实例工程大跨度弧形连续钢箱梁天桥需核算各种控制指标，本研究模型计算结果如表2。计算结果表明:结构自振频率对钢箱梁梁高选择起控制作用，其他指标如竖向位移、剪切应力和正应力对钢箱梁结构设计不起控制作用，且指标富余量较大。

表2 钢箱梁验算参数指标

(2)局部稳定验算。本研究模型采用梁单元分析，对弧形钢箱梁，弧顶处局部应力集中无法核算，需采用板单元验算局部稳定性，主要分受压和受拉区域验算。验算结果表明:局部稳定验算主要由受压区控制。

受压翼缘与纵向加劲肋之间的格区验算:

受拉翼缘与纵向加劲肋之间的格区验算:

(3)柱底内力分析。据研究模型计算结果，对天桥柱底内力分析，得出结果如下:①弧形天桥弯曲段墩柱轴力相差较大，弧形内侧墩柱轴力是外侧柱轴力2.67倍;②天桥一侧有楼扶梯时，墩柱轴力相差较大，靠近楼扶梯一侧墩柱轴力是另一侧轴力2.5倍;③连续梁跨度相差较大时，短跨一侧墩柱轴力较小，在最不利组合时，墩柱受拉力作用。

4 结语

综上所述，本文采用MIDAS CIVIL软件对大跨度弧形连续钢箱梁进行三维整体计算，得出如下结论:

(1)结构自振频率对钢箱梁梁高选择起控制作用，其他指标如竖向位移、剪切应力和正应力对钢箱梁结构设计不起控制作用;

(2)局部稳定验算主要由受压区控制。

(3)弧形天桥弯曲段墩柱轴力相差较大，弧形内侧墩柱轴力约为外侧墩柱轴力2.67倍;

(4)天桥一侧有楼扶梯时，墩柱轴力相差较大，靠近楼扶梯一侧墩柱轴力约为另一侧轴力2.5倍;

(5)连续梁跨度相差较大时，短跨一侧墩柱轴力较小，在最不利组合时，墩柱受拉力作用。建议柱跨相差较大时，箱梁应该断缝处理。

[1]饶波.大跨度钢箱梁人行天桥设计[J]，城市道路与防洪，2009，(2):30～32.

[2]GB 50157-2013 地铁设计规范[S].

[3]GB 50009-2012建筑荷载设计规范[S].

[4]GB 5011-2010建筑抗震设计规范[S].

[5]CJJ 69-95城市人行天桥与人行地道技术规范[S].