人行天桥玻璃雨棚设计及施工中的问题分析

喻 寄

（深圳市综合交通设计研究院有限公司，广东 深圳 518003）

1 人行天桥雨棚材质及优缺点

就人行天桥雨棚结构而言，主结构为了满足通透轻盈等需求，一般采用钢结构；而顶棚材质则选择较多，目前所采用的主要材料有钢化夹胶玻璃、耐力板、阳光板、铝板及其他新型材料（如钛锌板等）。其中钢化夹胶玻璃应用最为广泛，具有如下优点：（1）造价较低，且市场成熟，便于采购；（2）景观较通透，且能适应一定范围内的异形结构；（3）绿色无污染，很大程度上增加了装配化程度，缩短了施工时间；（4）钢化玻璃破碎后造成的伤害相比普通玻璃要小很多，危险性小。但钢化夹胶玻璃也具有不可避免的缺点，由于其具有玻璃属性，在设计或施工不当时仍然容易造成一定程度的破损，从而带来一定的安全风险[1]。

2 工程概况

2.1 人行天桥设计概况

案例人行天桥位于深圳市繁华地带的多路交叉路口，桥下交通流量较大，为满足多路口过街需求，该人行天桥采用环形布置（见图1）。

图1 人行天桥效果图

人行天桥主要技术标准如下。（1）设计安全等级：一级；（2）抗震设防：抗震设防基本烈度为7度，地震动峰值加速度为0.1g；（3）桥面宽：主桥宽度为4.5m（不含花槽）、净宽4m，梯道宽度为3.5m（不设花槽）、净宽3m；（4）设计基准期为100年，设计使用年限100年；（5）天桥上部结构竖向自振频率≥4Hz。

人行天桥总体设计：采用多跨连续钢箱梁设计，跨径组合为（19.5+22.5+20.5）m+（31+31.31）m+（20+24）m+（28.5+28+22）m，桥梁总长247.31m，主梁均采用等高连续钢箱梁结构，梁高1.2m、梁宽4.5m。其中平面大圆弧段半径为27.5m、小圆弧段半径为21m，为提高桥梁整体抗倾覆稳定性，在圆弧段各设置一个固结桥墩。

2.2 人行天桥雨棚设计

为提高城市景观效果，天桥顶部均设置了景观雨棚。主桥雨棚采用独柱式钢框架结构，顶棚总宽6.2m；梯道雨棚采用双柱式钢框架结构，顶棚总宽5.42m。主要杆件中立柱采用φ300mm×16mm圆钢管截面，中环梁采用200mm×150mm×7mm×9mm（高度×宽度×腹板厚度×翼缘平均厚度）等高度H型钢，挑梁采用（100～280）mm×200mm×8mm×14mm（高度×宽度×腹板厚度×翼缘平均厚度）变高度H型钢，边环梁及次支撑梁采用150mm×100mm×6mm（高度×宽度×厚度）等截面方钢，雨棚钢骨架采用连续结构。

顶棚材质采用8mm+1.52mm+8mm塘烤瓷彩釉双层夹胶玻璃，玻璃横向分为两块，横桥向宽度均为3.1m，纵桥向直线标准分段长度1.625m，曲线段长度根据伸缩缝级梯道等位置的情况分块，最小分块长度1.33m、最大分块长度2.15m，每块玻璃均布6个螺栓玻璃爪件。雨棚横断面设计见图2。

图2 雨棚横断面设计图（单位：mm）

2.3 人行天桥雨棚爆裂情况

该天桥在雨棚施工完成后，陆续发生雨棚玻璃爆裂的情况，雨棚爆裂玻璃分布见图3。

图3 雨棚玻璃平面布置及爆裂情况图（阴影部分为爆裂玻璃）

自爆是钢化玻璃特有的现象，根据《全国民用建筑工程设计技术措施:建筑产品选用技术（建筑·装修）》（2009年版），行业内认可的自爆率不超过0.3%，即使是通过均质炉加工的均质钢化玻璃，自爆率虽可显著降低，但还是不能保证自爆率为零[2]。该项目中，主桥雨棚玻璃共314块，爆裂玻璃21块，爆裂率为6.7%，远超标准范围内自爆率。对玻璃爆裂的位置根据平面线型及潜在影响因素进行数据统计，统计结果见表1、表2。由表1可知，爆裂的玻璃全部位于曲线段区域，且曲线内外侧相对分布较均匀。由表2可知，伸缩缝影响区域占比较小（不到10%），固结墩影响区域占比较小（23.8%），行车道影响区域占比较大（66.7%）。

表1 按平面线型数据统计

表2 按潜在影响因素数据统计

3 玻璃爆裂原因

对于该项目所发生的玻璃异常爆裂情况，应从设计、施工、材质及外界因素等多方面分析原因。

3.1 设计原因

该项目中，天桥主梁考虑钢箱梁在温度变化作用下的收缩与膨胀等情况，设置了4道伸缩缝，且为了提高弯桥段主梁的抗倾覆性，在两段弯桥段均设置了固结墩。从上述数据统计可以发现，爆裂玻璃全部位于弯桥段，直桥段无一爆裂，且伸缩缝及固结墩附近爆裂玻璃占比较小，因此基本可以排除伸缩缝及固结墩设计所带来的影响。

同时，通过MIDAS结构有限元分析软件对主梁及雨棚结构进行分析（见图4），结果如下：雨棚横梁悬臂端部最大竖向位移为3.6mm，小于玻璃板挠度限值，满足规范要求[3]；雨棚横梁悬臂根部最大应力为30.5MPa，小于材料容许应力值，满足规范要求；雨棚结构固有频率为第一阶振型对应的频率4.28Hz，大于4Hz，满足规范要求。通过以上计算分析，桥梁及雨棚结构的刚度满足要求。

图4 主桥及雨棚MIDAS计算模型

但从结构设计一体性考虑，主桥主梁设置了伸缩缝，而雨棚结构未设置相应的伸缩构造，使雨棚结构无法适应温度作用下主梁变形所带来的影响，且该影响在弯桥段为空间上的变形，即既存在轴向变形，也存在水平变形及扭转变形等复合影响，该影响会造成雨棚结构的二次内力过大，同时带动玻璃所受内力更为复杂。

弯桥段玻璃分块尺寸最大达5.5m2，面积较大，虽然满足《建筑门窗幕墙用钢化玻璃》（JG/T 455—2014）中不同厚度钢化玻璃的允许面积[4]，但玻璃的平面尺寸越大，受热膨胀后的线变形也越大，产生的约束反力越大，相应地产生更大的热应力，爆裂的几率极大增加[5]。同时这对施工及安装单位的要求更高了，一旦施工质量控制不好，更加容易造成玻璃的破损。

3.2 施工原因

考虑到桥梁排水等原因，该桥全线均设置了纵坡，因此在弯桥段雨棚玻璃空间关系较为复杂，对玻璃的制作及安装提出了非常高的要求，主要体现在以下几个方面：

（1）每块玻璃的平面尺寸均不一样，玻璃制作时均需根据图纸放样及现场实际位置进行现场放样，确保玻璃尺寸能够吻合且玻璃间保持满足要求的间距。

（2）每块玻璃均设置了6个支点，每块玻璃在制作时均需根据现场实际支点位置确定开孔位置，同时开孔孔径应控制在合理范围内，以满足震动、温度变化及外力作用下的变形。

（3）现场安装时，由于雨棚骨架整体成空间造型，尤其是弯桥段，因此必须将每块玻璃的所有支点均调整至同一平面内，任意支点不在同一平面内均会造成玻璃的不均匀受力及附加内力。

通过现场勘查发现，玻璃的安装并未达到设计要求，主要体现在玻璃间距不均匀、部分相邻玻璃甚至已相互挤压，同时玻璃开孔较小，且玻璃爪件轴心未置于孔径中心，玻璃各爪件未调平至同一水平面等。

3.3 材质原因

该桥玻璃雨棚所用材质主要为钢结构骨架、钢化夹胶玻璃及玻璃附属配件等，任意一个部位的材质使用不恰当均会对雨棚及玻璃结构造成影响。该桥雨棚钢骨架采用Q235钢，强度及性能等均能满足受力及使用要求。钢化夹胶玻璃采用8mm+1.52mm+8mm厚塘烤瓷彩釉钢化玻璃，彩釉钢化玻璃是一种成熟的玻璃加工产品，使用已十分广泛而普遍，被广泛应用于建筑装饰行业。玻璃附属配件包括成品玻璃爪件及玻璃胶等，其中玻璃爪件作为直接支撑玻璃的构件，其质量的好坏直接影响玻璃的受力，尤其是爪件的构件强度及与玻璃连接部位的缓冲材质等。

3.4 外界因素

通过现场勘查可知，该天桥处于交通繁忙地带，交通流量大，且重载交通占比较多，由于固结墩的存在，桥下交通均会对天桥产生较明显的震动，从而引起雨棚结构震动及变形等，对玻璃造成一定程度的不利影响。但城市人行天桥作为跨街桥梁，承受桥下交通的影响不可避免，因此只能从设计及施工的角度来减小该影响。

4 预防玻璃爆裂的措施

针对该人行天桥雨棚玻璃爆裂的案例及原因分析，为了减小玻璃的爆裂率，在实施玻璃雨棚项目时可以采取以下几个方面的措施：

（1）设计上，应提高雨棚结构整体刚度，严格控制构件变形挠度，减少因钢构件变形而导致的玻璃爆裂；设置合适的伸缩构造，以适应桥梁主体结构的变形；控制单块玻璃面积和玻璃支点的数量（以每块4个为宜），降低施工难度，减小施工误差带来的影响。

（2）施工上，加强玻璃的制作工艺，提高现场安装精度，考虑震动、温度变化等对玻璃的影响，避免玻璃边缘应力过大，改善玻璃夹胶的封边处理，避免夹胶片外露及夹胶片与玻璃密封胶相容性问题；在夹胶玻璃与钢构件接触处增设弹性胶垫，避免夹胶玻璃与钢构件直接接触而致使玻璃产生较大温差，从而有效避免因钢构件的温差而导致的玻璃爆裂。

（3）材质上，控制原片玻璃质量，选择优质附属配件。只有使用质量稳定、可靠的原片玻璃进行钢化及夹胶处理，配合优质附属配件，才能从根源上控制玻璃爆裂。

通过以上几个方面的措施，目前该桥雨棚玻璃的爆裂问题已基本解决。

5 结束语

人行天桥玻璃雨棚虽然是一种常用形式，但其在应用时对设计与施工均提出了较高的要求，为了减少玻璃雨棚的爆裂，文章结合项目实际案例分析了玻璃雨棚爆裂的原因，提出了相应的解决措施及同类项目在设计和施工时需注意的事项，供同类项目参考和借鉴。当然，工程人员在实施玻璃项目时，仍然需要根据工程具体实际情况，全面思考、精心设计、精细化施工，力求打造最经济、最合理、最可靠的工程项目。