复杂环境条件下城市人行天桥设计及结构处理措施探讨

关清杰，张忠伟

（中国市政工程东北设计研究总院有限公司，吉林 长春 130021）

0 引言

近年来，随着经济建设的发展，私家车及公共交通车辆日益增多，为提高城市路网的通行能力，确保行人过街安全、方便，城市过街设施的建设日益增多。其中，主要过街设施就是人行天桥。城市人行天桥可以实现行人在道路上方通过，车辆在下方行驶，避免相互干扰，即保证了行人安全，也加快了车辆通行速度，避免交通堵塞。因此，越来越多的城市开始重视城市天桥的建设。本文以长春市新民广场过街天桥为背景，探讨复杂外部环境条件下城市人行天桥设计方法，以及结构处理的一些措施[1-11]。

1 工程概况

新民广场地处长春市繁华地带，该广场环形交叉口连接延安大街、工农大路、新民大街、自由大路、工农大路。这5条道路均为长春市的主干路，人流量、车流量均很大。广场南侧的南湖公园占地总面积为222万m2，为全国性的市内公园，节假日客游量很大。西南侧的欧亚新生活商场是集购物、体验、娱乐、餐饮、教育、智能、观光于一体的购物商场，人流量很大。有大量居民或游客需要往返于欧亚新生活商场与南湖公园之间，同时延安大街的车流量也很大，不仅经常造成交通堵塞，而且行人也很不安全，新民广场过街天桥就是在此背景下被提出来建设的。新民广场过街天桥起点为延安大街南湖侧绿化带，终点为欧亚新生活商场二楼，其桥位见图1所示。

桥梁上部结构采用下承式钢桁连续梁桥，上下弦杆采用箱形截面，高40 cm，宽25 cm，腹杆也采用箱形截面，高20 cm，宽25 cm。下部结构采用钢筋混凝土柱式墩，托梁加桩的“门”字形基础。综合考虑跨越道路、地下管线、人防、地下室等构筑物后，该天桥孔跨布置为37.8 m+19.79 m+15.95 m=73.54 m，最大跨径为37.8 m，该跨跨越延安大街；中跨为19.79 m，该跨跨越商场内道路；最后一跨为悬臂跨，跨度为15.95 m，端部接欧亚新生活购物广场二楼，满足游客可以不出购物商场，直接抵达南湖公园的需求。桁架总高度为3.8 m，总宽度6.3 m，通行净宽为5.3 m，如图2所示。3号墩处在保持桁架上下弦杆连续的同时，取消斜杆，增设竖杆，设行人出入口，满足商场以外人员的过街需求。1号墩处桥面距离地面高度为9.12 m，高差较大，在1号墩处设置上下梯道的同时，设置一部自动扶梯，主要满足老人、小孩及残疾人的通行需求。为给人行创造更加舒适的通行环境，在桁架的顶部搭设玻璃雨棚。

图1 天桥地理位置图

图2 桥型布置图(单位：cm)

2 主要技术标准

（1）人群荷载：根据人行桥设计规范中规定，梁、桁架、拱及其他大跨结构，全桥加载时取人群荷载为3.5 kPa；单跨加载时取最不利荷载为4.3 kPa。

（2）恒载：一期恒载：钢材 ρ＝7.85×103kg/m3；二期恒载：主要包括玻璃雨棚、桥面铺装、栏杆、LED屏幕等，共计14.7 kN/m。

（3）温度梯度：考虑混凝土桥面板影响，在日照作用下钢桥下弦杆与上部杆件之间存在温差。计算取正负5℃温差。

（4）风载：取百年一遇，长春地区基本风速35.4 m/s。

（5）雪荷载：取百年一遇，雪荷载0.5 kPa。

（6）基础沉降差：计算取桥墩基础沉降差10 mm，按照最不利沉降差组合进行计算。

（7）天桥上部结构悬臂端由人群荷载计算的最大竖向挠度容许值为L/300。桁架跨中最大竖向挠度容许值为L/500。

（8）为了避免共振，同时减少行人的不安全感，人行天桥上部结构竖向一阶主振型频率控制大于3 Hz。

（9）将主桥恒载和活载均作为可变量基数值，一阶屈曲稳定系数应不小于4.0。

3 结构设计难点及处理措施

3.1 降低天桥上部结构建筑高度的结构形式研究

天桥作为一种过街设施，其一般为城市主要建筑形成后，根据后期交通发展需求，为确保行人过街安全、方便而修建的建筑。该类建筑一般的设计原则是：施工快速，避免对其下方道路的交通产生较长时间的干扰；最好能结合景观设计，使其成为一道城市的亮丽风景；要与周围环境协调统一，避免给人产生突兀的感觉；方便行人过街，为行人提供理想、舒适的通行环境。长春地处东北，冬季气候寒冷，夏季炎热，为增加通行舒适性，因此在桥梁设计时增加了雨棚设计，为行人提供更理想的通行条件。人行天桥的上部结构形式种类很多。结合天桥的设计原则，该项目在设计时，分别考虑了混凝土连续梁、钢箱梁及钢桁架梁三种设计方案。

（1）方案一：上部结构采用现浇预应力混凝土箱梁，梁高为1.9 m，雨棚的净高为2.7 m，主梁加雨棚的高度为4.6 m。由于为现浇混凝土结构，施工周期比较长。

（2）方案二：上部结构采用钢箱梁，梁高为2 m，雨棚的净高同样取2.7 m，主梁加雨棚的高度为4.7 m。钢箱梁可在工厂加工制造，分节段运输到现场安装，施工周期相对较短。

（3）方案三：上部结构采用下承式钢桁梁，雨棚的净高仍按2.7 m设计，可在桁架顶端架设雨棚，减少了另设雨棚支架的高度，整体高度为3.8 m，如图3所示。桁架杆件可采用工厂制造，现场拼装，施工周期相对较短。

图3 下承式桁架立面图(单位：cm)

综上所述，在需要设置雨篷的人行天桥桥梁中，上部结构采用下承式钢桁梁可降低桥梁的整体建筑高度，避免两侧梯道设置过高，不利于行人上下，同时较小的建筑高度，可使桥梁结构与周围环境更好地融合。桁架杆件可在工厂加工制造，构件运到现场安装，灵活方便，同时施工速度也较快。桁架结构刚度大，跨越能力强，通透性好；同时桁架结构与雨棚结合为整体，景观效果较好。通过以上分析比较，上部结构采用下承式钢桁梁桥相对于方案一与方案二优势非常明显。

3.2 管线等地下设施的避让措施

该项目地处长春市老城区繁华地带，新建地下管线及既有的管线错综复杂，地下大量分布着雨水管、污水管、给水管、消防水管、军用光纤、移动光纤、联通光纤。该处还有地下人防工程及商场的地下室，且桥梁建成后不能占用市政人行道的空间，同时需要躲避地面上既有树木，保证绿化。因此，该桥的桩位布置异常困难。该桥1号墩设计位置为原有绿带，其下分布有给水管、军用光纤及移动光纤。在1号墩湖西路侧梯道除了包含新民广场侧的地下管线，同时在绿化带处地面上还长有三颗直径1 m左右的杨树。在2号、3号墩处，地下除了含有雨水管、污水管、给水管、消防水管、移动光纤、联通光纤等新建的管线，还有抗日战争时日本人修建的地下人防工程，且由于年代久远资料不全，人防工程中已积满水，无法准确测量，对桥梁孔径布置，以及桩位布置都带来了很大的考验。

基础遇见地下设施，通常选择避让的方式，即调整跨度，使桥墩避开地下设施，或者是改变基础形式。最后选择何种方式，要根据项目的具体条件进行确定。根据该工程基础需要避让的地下管线及结构众多的现状，且人防工程是沿桥轴线走的，采用普通基础形式根本无法对人防工程进行避让。该项目的设计思路是首先根据地上条件确定桥梁孔跨，根据孔跨确定桥墩的位置，再结合桥墩位置及地下管线、人防、地下室等位置，设计了桩基加托梁的门架式基础，桩径为1.4 m，托梁厚度为1.5 m，用于支撑桥墩，桥墩直径为1 m（见图4）。该种基础形式成功地避让了地下的各种设施。最后一跨梁端因受商场地下室限制，无法布置桥梁墩台。因此，该跨不布置墩台，采用悬臂跨与商场二楼楼板直接相接。为保护城市绿化，尽量不砍伐既有树木的原则，梯道可设置成折线形梯，成功躲避了地下管线及地上的树木，从而保证了人行天桥的顺利完成。

图4 门架式基础布置图(单位：m)

3.3 下承式桁架中间设置梯道出入口的结构型式研究

钢桁架结构主要由上弦杆、下弦杆及腹杆组成，在桁架的中间设置梯道人员出入口时，出入口净宽及净高的要求通常与斜腹杆发生冲突，因此大部分钢桁架桥只是在两端设置进出口，而不在桁架中间设置进出口与梯道连接。该桥因为孔跨布置受各种管线的限制，且同时需要满足行人通行的需求，必需在3号墩的位置处设置一梯道，并在主梁上留出人员出入口。若在3号墩处将主梁断开，采用两段梁进行设计，因在商场侧无法设置桥墩，3号墩与商场之间为悬臂端，也需要在3号墩顶桁架结构连续不能断开，故此方法无法实现。

综合研究后，该桥在3号墩位置处采取了在梯道出入口处截断斜腹杆，采用了两根竖向支点加强腹杆设计，而保持上弦杆及下弦杆连续，同时在3号墩处增设一个支承点，由原来与2号墩相似的单支点调整成顺桥向双支点桥墩，来保证主梁的结构稳定性及受力合理性（见图5）。通过这种局部的调整，解决了梯道出入口与斜腹杆冲突的问题，满足了结构出入口接悬臂梁的设计要求。采用两根竖向加强腹杆，配合双支座设计的出入口，应该注意双支座中在远离悬臂端的另一支座（3 a）中，会产生拉力（见图6），因此应根据拉压荷载在该处设置拉压支座。

图5 桁架中间出入口结构图(单位：cm)

图6 结构支反力图（单位：kN）

3.4 悬臂梁端与商场二楼楼板间无缝连接措施

桥梁悬臂端直接与商场二楼楼板相接，由于连接处地面以下为商场地下室，无法单独设立桥墩，且商场该处也没横梁可供搭接，故商场侧桥垮只能采用悬臂梁设计。桥梁悬臂端与楼板连接处，除了有顺桥向的位移，由于荷载的变化，还会产生垂直上下的位移及转角，因此该处桥梁与楼板的连接也是该项目设计的难点之一。常规桥梁设计的伸缩缝有模数式伸缩缝、梳齿板式伸缩缝等，这些伸缩装置一般都只能适应顺桥向位移及转角的变化，而不能满足桥梁悬臂端存在竖向位移的情况，因此普通桥梁伸缩缝并不适合作为该桥悬臂端的伸缩缝。

通过计算，在人群荷载作用下，该桥悬臂端的最大竖向向上位移为1.7 mm，向下位移为19.3 mm；转角为0.057°。温度荷载作用下最大水平位移开口量为18 mm，闭口量为12.4 mm。经过多方面的比较研究，同时以建筑专业的楼面嵌平型变形缝进行参考，对该桥的伸缩缝进行了设计。用ø8的塑料胀锚螺栓把铝合金基座分别固定在天桥悬臂端和商场的楼板上，在铝合金基座上设置热塑性橡胶条，通过橡胶条的变形既满足了桥梁顺桥向的位移要求，同时也满足了悬臂端转角及竖向位移变形的要求，伸缩缝的构造见图7所示。

图7 悬臂端伸缩缝构造图（单位：cm）

3.5 室外人行天桥自动扶梯冬季防护措施

东北地区由于冬季气候寒冷，并且有雨雪结冰等问题，无法保障自动扶梯的运行安全。因此，以前设计的人行天桥都没有配备自动扶梯。该项目为增加行人过天桥的舒适性，特别是满足老人、儿童和残疾人过街需求，设计了东北地区第一座带自动扶梯的人行天桥。人行天桥的自动扶梯在室外，且无法采暖，如何保证运行部件不被冻结引起事故，保证电梯正常运行是首要解决的问题。为解决这一技术难题，通过深入研究，最后通过在电梯上加设全封闭的防护棚，起到保温的作用，从而保证自动扶梯内部的温度；另外一个措施是在电梯的顶部和梯脚处设置两处电加热装置，从而保证电梯在冬季运行过程中，上下端的润滑油能以液态的形式在电梯运行中起到润滑的作用，从而保证电梯在冬季的正常动行。华北地区（北京、天津等）有的人行天桥配备有自动扶梯，自动扶梯也设置了电加热装置，但其加热装置大多不需要其与扶梯驱动系统同时运行，而东北地区天桥自动扶梯需要电加热装置与驱动系统同时运行，且电加热系统应根据运行环境设计更大功率。

4 天桥结构计算

4.1 计算模型

结构计算采用MIDAS CIVIL V8.3.2软件，建立空间杆系单元模型（见图8）。计算模型采用空间梁单元模拟钢桁架，其中结点数量为354个，单元数量为505个。支点采用铰接，桥面板及加劲板采用均布荷载形式加在相应单元位置，其余有关计算参数和假定以现行国家有关设计规范、规程为依据。

图8 计算模型

4.2 屈曲稳定验算

将主桥恒载和活载均作为可变量基数值，主桥一阶屈曲模态为主桥的整体横向面外失稳，一阶屈曲稳定系数为14.787＞4.0，见图9所示，满足规范要求。

图9 一阶屈曲模态

4.3 挠度计算

根据《公路钢结构桥梁设计规范》（JTG D 64-2015）对结构和构件的变形进行控制，天桥上部结构悬臂端由人群荷载计算的最大竖向挠度容许值为L/300。桁架跨中最大竖向挠度容许值为L/500。

根据MIDAS CIVIL计算结果，见图10所示，悬臂端由人群荷载产生的竖向挠度为19.3 mm＜16 000/300=53.3（mm），第一跨跨中由人群荷载产生的竖向挠度为15.8 mm＜37800/500=75.6（mm），故结构挠度验算满足规范要求。

图10 人群荷载挠度包络图（单位：mm）

4.4 自振频率验算

为了避免共振，减少行人的不安全感，人行天桥上部结构竖向一阶主振型频率控制其不应小于3 Hz。

通过MIDAS CIVIL计算，得到钢桁架桥第一阶竖向自振频率为3.65 Hz＞3 Hz，见图11所示，自振频率满足规范要求。

图11 一阶竖向振型

4.5 强度验算

根据《公路钢结构桥梁设计规范》（JTG D64—2015），按基本组合验算结构的强度，由图12可知，在应力分析结果中，所有杆件中最大拉应力为166 MPa，最大压应力为184 MPa，各主要杆件应力均满足规范要求。

图12 桁架结构应力图（单位：MPa）

5 天桥结构设计发展展望

天桥并不是一件孤立的公共建筑，而是和整个城市系统的交通效率、步行友好相关，需要在城市尺度的参照上组织研发，不应只注重搞那些“新、奇、特”的结构。在天桥设计时，应“以人为本”，并注重朝以下几个方面发展。

（1）城市天桥应是没有存在感却又满足需求的，要求结构建筑高度低，通透性好，与周围环境相融合。

（2）好的天桥能降低步行难度，最好能人性化到让人像“平面过街”一样容易，在利用好周围地形条件，降低天桥高度的同时，如现在越来越多天桥配备自动扶梯，升降电梯等。

（3）方便行人的同时，也考虑自行车、电动车，以及残疾人过街。

（4）天桥最好能构件标准化。构件可以在工厂集中进行生产，在现场进行拼装，就象搭积木一样，这样既便于控制质量，又可加快施工速度。

（5）新材料的研发。通过材料的研发，促进桥梁结构形式的发展与进步，满足人们对桥梁功能要求的同时，设计出符合环境友好的桥梁。

人行天桥解决了这些问题，就自然有了好的形式。与其追求样式的标新立异，不如把天桥的舒适性、合理性设计到最好。如果建设的人行天桥，是一种对公共资源的浪费，不论是从设计的角度，还是从城市的角度，都没有积极的意义。

6 结 语

新民广场过街天桥工程结合雨棚结构设计，采用下承式桁架结构形式，该结构通过计算分析后，各项指标均可满足规范要求，结构安全可靠。在该主体结构上，可以直接搭设雨棚，避免了单独搭设雨棚支架，不仅降低了结构建筑高度，而且通透性更好，使结构更好地与周围环境相融合。该工程为老城区市政工程，地下结构及管线众多，给设计、施工带来很大难度，通过采用桩基加托梁的门架式基础，很好地解决了避让管线及地下结构的问题。通过在顺桥向取消斜腹杆，增设加强竖杆，设置双支座的结构形式，解决了在桁架中间设置梯道出入口且该出入口紧邻悬臂跨的问题。并设计了一种简易伸缩缝，既满足结构的变形要求，又使天桥悬臂端与楼板达到了无缝连接的目的。通过增设全封闭防护棚及电加热系统，解决了东北地区自动扶梯运行系统防冻的问题，使东北地区人行天桥设置自动扶梯成为可行。并且，提出了未来天桥的发展及研究方向，可供同类工程参考借鉴。