某新型钢结构人行天桥稳定性研究

伍臣宇

（重庆中设工程设计股份有限公司综合六所，重庆400025）

某新型钢结构人行天桥稳定性研究

伍臣宇

（重庆中设工程设计股份有限公司综合六所，重庆400025）

该文以四川某地区新型钢结构人行天桥为研究对象，采用有限元软件MIDAS对天桥在不同荷载组合作用下进行了模拟，分析了天桥结构变形及受力特征，并探讨了天桥自振特性。计算结果表明：该新型人行天桥在结构上比较合理，自振频率符合规范要求，为该类天桥设计提供了依据。

人行天桥；鱼腹式钢箱梁；有限元法；自振特性

0 引言

目前，我国处于城市建设的快速发展时期，城区车辆急速增长，交通压力增大，车辆和行人相互交织，导致交通事故增多。人行天桥的发展能一定程度上缓解每况愈下的城市交通状况，而钢结构人行天桥以其大跨、纤细的特点则越来越多受到青睐，其结构形式在发展过程中也越来越复杂。人行天桥是一种特殊的结构形式，在满足安全性的同时，必须对其使用性能给予足够重视[1]。一座好的人行天桥，应与周围环境相得益彰，不仅要发挥自身的通行能力，还需起到提升城市道路美观性的作用，成为城市一道美丽风景线；一座美丽的人行天桥亦是一座城市的名片，甚至成为现代建筑中的艺术品[2]。

目前对大跨度、结构复杂的钢结构人行天桥的有限元分析的文献较少，文中以落实“以人为本”，保证人的安全性与舒适度为设计理念，利用有限元计算方法对结构在不同荷载组合下进行了模拟分析，研究了该天桥的受力特点。

1 工程概况

天桥平面线性采用两大小不等圆曲线相切成S型，竖向采用圆拱式，矢跨比约为1∶22.2，为坦拱。天桥全长约为71m，桥梁宽度7.4m，主梁采用全焊接式钢结构。天桥计算跨径为20.25+ 30+20.25m，主要材料为16MnC（Q345）钢板。截面形式为单箱六室鱼腹式等截面钢箱梁。桥墩采用三根直径500cm、壁厚16mm的钢管柱成倒三角型，桥墩与主梁用高强螺栓刚性连接，见图1。

图1 天桥一般布置图（单位：cm）

2 计算方法

2.1 天桥静力计算原理

文中利用大型有限元软件MIDAS对人行天桥结构进行有限元计算[3]。首先对结构进行离散化，得到总体平衡方程：

3 计算模型及数值分析过程

3.1 计算模型

根据工程材料及结构特点，利用有限元软件MIDAS建立空间力学模型，如图2。箱梁上下翼缘板、腹板、横隔板等主要受力构件均采用空间板单元模拟。其中，主梁共划分为592个节点和1029个板单元，桥墩划分为6个梁单元。桥墩与主梁刚性连接，两端桥台处弹性连接，见图2。

图2 天桥有限元计算模型

3.2 计算参数

模型材料参数依据《城市人行天桥与人行地道技术规范》CJJ69-95[5]与《钢结构设计规范》GB50017-2003[6]取值，如表1。

极值温度根据当地实际温差取±20，施工时环境温度取20。

表1 材料参数

3.3 结构计算

结合当地交通状况，天桥主梁施工采用工厂分为5段加工预制，再现场焊接拼装。不仅对既有交通影响小，而且能使焊接质量得到保证，焊接残余变形更容易得到控制，还便于施工，有利于节省工期。

根据天桥实际受力状态进行数值模拟（如图3），主要分为4种荷载组合：（1）自重；（2）自重+二期荷载（装饰、桥面铺装）；（3）自重+二期荷载（装饰、桥面铺装）+车道人群荷载；（4）承载能力极限状态，荷载组合为：1.2×结构自重+1.2×二期恒载+1.4×人群荷载+0.7×（1.4×温度荷载+1.1×风荷载）。

第1步建立天桥模型，计算出模型质量；第2步添加二期荷载，将其转换为质量，计算天桥一阶竖向自振频率（见图4）；第3步添加车道人群荷载，人群荷载考虑满载，取5.0 kN/m2；第4步计算天桥承载能力极限状态下，结构应力、位移及变形。

图3 荷载工况

4 计算结果及分析

4.1 天桥自振特性分析

根据有限元结构动力学计算方法可得天桥的振动特性——固有频率和振型，见图4及表2。

图4 一阶振型

图5 二阶振型

表2 结构自振频率

由表2和图4、图5可以看出天桥一阶振型为3.95Hz大于3Hz，天桥舒适度满足要求。

4.2 应力分析

结构在承载能力极限状态下应力云图见图6。

图6 应力云图/Pa

计算结果表明，结构最大应力发生在主梁跨中和桥墩顶，最大应力值为119.2 MPa。

4.3 位移分析

通过有限元数值计算，分别得到在恒载、活载作用下结构竖向最大位移，见图7。

图7 竖向位移云图（单位：m）

由图6、图7可知：在恒载、活载作用下天桥最大竖向位移均发生在跨中，分别为3.13cm、0.95cm。

4.4 支座反力

通过有限元数值计算得到支座反力，如图8。

钢结构人行天桥的一个优点便是自重较小，结构轻盈。如图8所示，天桥支座反力主要集中在桥墩，分别为1787.4kN、1800.9kN。

图8 支座反力(单位：m)

5 优化设计

考虑城市交通安全，城市人行天桥应设置栏杆、照明、排水等必要设施。

（1）栏杆要求满足规范要求外，还应与天桥融为一体，使其功能与造型统一。该天桥设计采用钢化玻璃，干净透明，外观简约时尚，很好地诠释了主题。

（2）天桥位于河流之上，采用纵向排水方式，横向直接排入河流之中，并能有效地节约材料，不影响景观效果。

6 结语

（1）钢结构人行天桥虽然结构比较复杂，但天桥自重较小，结构造型新颖，并能与城市很好地结合在一起。

（2）计算出天桥一阶自振频率满足规范要求，天桥行人舒适度比较好。

（3）该设计利用有限元方法主要计算了结构的静力和动力特征，静力特征反映了结构的自稳能力是否满足要求，动力特征反映了在人群荷载作用下行人舒适度是否满足要求。结果表明，钢结构天桥的应力和位移均在可控范围内，安全能得到保证，很好地指导了设计与施工。

[1]陈建森.人行天桥的造型与结构设计[J].中国科技信息，2005（15）：208.

[2]潘颖，邓宇.城市人行天桥方案设计探讨[J].重庆科技学院学报：自然科学版，2009，11(6)：88-90．

[3]王勖成.有限单元法[M].北京：清华大学出版社，2003：55-95，468-518．

[4]蔡贵春，王辉明.大型钢结构人行景观天桥的有限元分析[J].新建大学学报：自然科学版，2006，23（2）：233-235．

[5]建设部.CJJ69-95城市人行天桥与人行地道技术规范[S].北京：中国建筑工业出版社，1996.

[6]建设部.GB50017-2003钢结构设计规范[S].北京：中国计划出版社，2003.

责任编辑:孙苏,李红

Study on Stability of a New Type Steel-Structured Pedestrian Overpass

In this paper,a steel-structured pedestrian overpass of a new type is studied.It runs simulations on the overpass under different load combinations with the finite element software MIDAS,analyzes the deformation and stress characteristics of the overpass,and discusses the self-vibration characteristics of the overpass.The results show that this new type of pedestrian overpass has a reasonable structure,and self-vibration frequencies in consistent with the specification,which provides a basis for the design of the overpass.

pedestrian overpass;fish belly-shaped steel box girder;finite element method;self-vibration characteristics

U448.11

A

1671-9107（2017）09-0034-03

10.3969／j.issn.1671-9107.2017.09.034

2016-09-13

伍臣宇（1984-），男，重庆人，研究生，工程师，主要从事桥梁与隧道、岩土设计工作。