异形人行天桥亮化工程设计计算分析研究

□文 /王龙花

1 工程概况

某十字环形立体交叉型式钢结构人行天桥承重结构为桥梁用A3镇静钢，相邻两条人行道交角为90°，长轴长61.21m，短轴长59.41 m，环形走道宽3.6 m，梯道宽2.1 m。钢箱梁梁高：跨中处为1 m，长边根部为2.215 m，短边根部为2.204 m。钢架腿部尺寸上端为2.3 m×1.8 m，下端为1.6 m×1.8 m。支座形式为抗剪器，承台设置支撑墙体抵抗桥墩水平推力，基础形式为桩基础。

2 亮化工程设计

为美化城市环境，提高城市的整体形象，对该桥进行亮化工程设计，在人行桥中央环形走道四个方向分别架设一块空间桁架体系户外LED显示屏，桁架结构体系与环形钢箱梁腹板焊接，为保证主承重结构的稳定性，采用空间桁架体系将相对应的两块LED显示屏连接桥上，同时为抵消恒载增加且满足桥梁防水设计要求，设计决定凿除原8 cm厚的细石混凝土防水层，改为2 cm厚的橡胶防水层。为确保显示屏安装及使用过程的安全，显示屏承重材料、焊接安装工艺均应满足相应规范规定。

3 结构计算分析

3.1 结构材料及技术参数

1）主结构均采用Q235钢板，弹性模量1.95×105MPa，标准强度235 MPa，抗拉、压、弯设计强度均为215 MPa，抗剪设计强度125 MPa。钢箱梁下翼缘板厚16 mm，上翼缘板厚12mm，腹板、横隔板、翼缘和加劲肋厚10 mm。

2）显示屏支撑桁架采用 16#、14#工字钢，100 mm×50 mm、60 mm×60 mm和40 mm×40 mm矩管。

3.2 荷载标准及荷载组合

1）恒载。包括结构自重，附属结构、显示屏及支架恒载，其中结构自重按实际断面计入。附属结构：单侧栏杆重为1 kN/m，2 cm橡胶防水层为0.26 kN/m2；坡道踏步为7.2 kN/m，过桥管线等为0.47 kN/m；显示屏及支架为60 t。

2）活载。主要考虑人群荷载、温度、风载、沉降。其中人群荷载集度为4 kN/m2，温度按系统升温25℃和降温30℃考虑，设计基本风压为0.5 kN/m2。鉴于该桥已经建成并运营22 a，沉降已趋于稳定且显示屏及支架总质量小于凿除的原铺装自质量（80 t），故此次分析不考虑沉降因素。

3）荷载组合。主结构整体计算时，正应力及剪应力标准组合=1×恒载+1×人群+1×风载+1×温度荷载，挠度值正常使用极限状态组合=1×恒载+1×人群；主结构细部计算时，荷载组合=1×自重+1×人群+1×风载+1×显示屏重。

3.3 计算模型

主结构整体计算模型取上部全桥和主墩,采用空间有限元程序TDVRM2006进行计算分析，将全桥离散成134个单元。墩、梁固结，各桥墩墩底采用固定铰支座约束，计算模型见图1。主结构细部分析取1/2桥跨，采用大型有限元计算程序Midas FEA进行局部受力分析，提取截面内力及变形结果作用在边界面上，从而达到局部模型受力状态等同于整体模型。此模型中1/2跨位置界面处采用固结的约束方式，另侧采用内力及位移的边界条件。上翼缘板、下翼缘板、腹板、横隔板和加劲肋均采用板壳单元。为更加准确分析钢桁架与腹板相焊接位置处腹板受力状态，此处钢桁架（16#工字钢）也采用板壳单元，其它钢桁架均采用线单元，计算模型见图2。

图1 结构整体计算模型

图2 结构细部计算模型

3.4 整体计算结果

在荷载标准组合作用下，主结构正应力和剪应力计算结果见表1；在正常适用极限状态组合作用下，环形走道最大竖向位移见图3；结构特征值分析一阶模态见图4；结构特征值分析结果见表2。

表1 主结构正应力和剪应力计算

图3 环形走道最大竖向位移

图4 主结构特征值分析一阶模态

表2 特征值分析结果

由表1可知，在荷载标准组合作用下，主结构最大正应力值均小于规范要求的设计强度，安全系数在1.97～4.52，具有一定的安全储备；主结构最大剪应力值均小于规范要求的设计强度，安全系数在4.03～50.00，具有较大的安全储备。

由图3可知，正常使用极限状态组合作用下，环形走道的最大竖向挠度为70.49 mm，大于CJJ 69—95《城市人行天桥与人行地道技术规范》最大挠度37.13 mm的要求，需要设置预拱度，预拱度已在原设计中设置，主结构刚度满足规范要求。

由表2可知，该人行天桥一阶频率为2.158 Hz，小于于CJJ 69—95要求的3 Hz，在使用过程中可能造成共振，引发行人的不安全感。原因在于原设计钢箱梁刚度太小，原设计没有考虑该因素，但由于项目的不可逆性，只能在日后使用过程中通过部分限行的方式加以解决。

3.5 细部计算结果

在荷载组合作用下，主结构翼缘板应力、腹板及横隔板应力及加劲肋板应力计算结果见表3，主结构整体最大面范梅塞斯应力见图5，显示屏支撑桁架内力计算结果见表4。

由表3计算结果可知，在荷载组合作用下，主结构各部分最小正（轴向）应力在-40.3～-101.1 MPa，小于规范要求的设计强度，安全系数在2.13～5.33之间；最大正（轴向）应力在15.8～77.0 MPa，小于规范要求的设计强度，安全系数在2.79～13.61；最大剪应力在17.2～47.1 MPa，小于规范要求的设计强度，安全系数在2.65～7.27；最大面范梅塞斯应力在49.3～92.8 MPa，小于规范要求的设计强度，安全系数在2.32～4.36，均具有一定的安全储备，钢箱梁强度满足规范要求。

表3 主结构各部分应力计算结果

图5 结构整体最大面范梅塞斯应力

表4 钢桁架内力结果

由图5可知，主结构最大面范梅塞斯应力出现在顶板与横隔板、底板与横隔板相交处，由前面各部分计算结果可知，应力值均小于规范要求的设计强度，钢箱梁局部稳定满足设计要求。

由表4可知，显示屏支撑钢桁架内力及应力均较小，满足设计及使用要求。

4 结论

1）该桥主结构及显示屏支撑桁架的强度、刚度、稳定性均满足规范设计要求；分析结果验证了该桥亮化设计方案的可行性，从而可以保证结构的正常使用安全。

2）该桥一阶模态频率小于规范要求，为避免使用过程中产生共振，对人行天桥的正常使用带来危害，应进行部分限行。

3）本研究所采用的设计分析方法可为城市人行天桥的美化装饰设计提供依据，为人行天桥亮化工程的推广应用作为参考。