钢结构在人行天桥中的应用探究

陈阳阳

摘 要：随着城市化的不断发展，城市交通面临着极其严峻的压力。为了解决行人、非机动车安全和对机动车通行干扰的问题，许多路段、交叉口修建了人行天桥。由于传统的钢筋混凝土结构自重大、抗裂性差且造型古板，已不能适应城市的快速发展，而钢结构具有质量轻、抗拉强度高、抗压强度高的优点，现如今被广泛应用于人行天桥建设。通过提高钢结构的结构合理性可以有效地提高整个工程的质量和安全性，提高路桥设计的整体水平，从而更好地满足当前社会经济技术快速发展时期对建筑行业发展的需求。

关键词：钢结构;人行天桥;应用优势;优化策略

中图分类号：U448.36 文献标识码：A 文章编号：1003-5168（2021）23-0108-03

Abstract： With the continuous development of urbanization， urban traffic is facing extremely severe traffic pressure. In order to solve the problems of pedestrian and non motor vehicle safety and reduce the interference to motor vehicle traffic， pedestrian overpasses are built at corresponding sections and intersections. Because the traditional reinforced concrete structure has great self weight， poor crack resistance and old-fashioned shape， it can not adapt to the rapid development of the city. Steel structure has the advantages of light weight， high tensile strength and high compressive strength. Now it is widely used in the construction of pedestrian overpass. By improving the structural rationality of steel structure， the quality and safety of the whole project can be effectively improved and the overall level of road and bridge design can be improved. So as to better meet the demand for the development of the construction industry in the period of rapid economic and technological development in China.

Keywords： steel structure;footbridge;application advantages;optimization strategy

人行天桥，也称人行立交桥，通常建在十字路口、广场、商业街以及繁忙的铁路上。只有行人才能通过人行天桥，从而避免与车辆交通冲突，确保交通安全。人行天桥是城市步行空间的一种形式，在缓解交通压力方面发挥着重要作用。城市人行天桥的建设具有良好的社会效益，能够有效实现人车分离、改善交通拥堵、提高城市居民生活质量。人行天桥的设置可以避免交通混流带来的安全风险，特别是在人口密集的发展中国家，人行天桥将在未来城市发展中发挥极其重要的作用[1]。

1 钢结构人行天桥的特点

由于钢材具有良好的塑性、韧性和变形能力，能承受动载荷，是一种理想的弹性体，且桥梁钢结构施工具有加工精度高、效率高、抗震性能好、交通恢复快等特点，在相同条件下，钢结构构件的抗拉强度远高于混凝土，因此钢结构人行天桥（见图1）已成为现代城市交通建设中不可缺少的一部分。

2 钢结构人行天桥的应用优势

2.1 力学与加工的性能较强

与钢筋混凝土结构相比，钢结构不仅自重低，而且具有较大的强度，特别适合大跨度、重载的工程应用。此外，钢结构具有很强的塑性，能够吸收静载荷下的变形，不会因突然过载而断裂。钢结构具有高韧性和良好的动力性能，适合在动载荷下连续工作。

2.2 工业化程度高、施工周期短

钢结构所用材料能够轧制成各种型材，加工方便快捷。钢结构构件由专业加工厂加工，精度高且质量有保障。钢结构构件质量轻，连接简单，运输方便[2]。随着工程的机械化，工期大大缩短。同时，连接螺栓设计、结构加固、改造和拆卸的实用优势使其广泛适用于其他结构工程。

2.3 模拟计算结果切合实际

由于對钢结构的冶炼和轧制过程进行了科学控制，钢材的成分及内部组织质量能够得到有效控制。钢结构的实际应力与工程力学计算的应力基本相同[3]，有效降低了设计计算模拟过程的不确定性。

2.4 钢结构人行天桥的优势

钢结构质量比承重骨架和混凝土结构轻，运输和吊装成本低。因此，在同等跨径的基础下，采用钢结构的人行天桥相较于采用其他材料的人行天桥在造价上更具优势。

3 人行天桥钢结构桥梁的设计理念

3.1 钢结构桥梁的整体设计

随着科学技术的发展，钢结构桥梁以其质量轻、稳定性好、外形美观等优点在我国人行天桥建设中得到越来越多的应用。施工人员可以将横隔板、顶板、底板、腹板、纵隔板和加劲肋焊接在一起，形成钢结构人行天桥。这样既能满足承载力设计要求，又能缩短建设工期，减少阻断交通的时间。如果采用传统的钢筋混凝土结构进行施工，不仅会延长工期，而且会增加后期维护的难度[4]，因此设计人员在现代城市环境中优先考虑钢结构在人行天桥中的应用。

3.2 人行天桥钢结构桥梁的设计目标

根据国内钢结构桥梁设计标准，人行钢结构桥梁设计过程中，使用的钢结构除了必须满足相应标准的要求外，设计人员还必须进行完整性设计，考虑钢结构桥梁荷载稳定性和刚度，对钢结构投入使用后的损坏情况进行预测、评估。

3.3 钢结构损伤及损伤容限要求

钢结构桥梁施工完成后，难免会出现损坏或小裂缝，必须及时进行修复，否则会导致扩大裂缝，降低钢结构的使用性能。钢结构的损伤容限是指钢结构在设计过程中能够承受各种原因引起的裂缝或其他损伤。设计中应当避免安全风险或工作失误，确保钢结构在其使用寿命内的安全性和可靠性，这对钢结构桥梁的正常使用有重大影响[5]。设计人员必须对钢结构的设计进行深入分析，保证设计完整性，以防止钢结构损坏，保证钢结构桥梁在设计使用年限内的正常运行。

4 人行天桥钢结构桥梁设计的注意事项

4.1 重视结构的耐久性问题

自20世纪90年代以来，我国开始重视钢结构设计研究，并取得了许多成果，但关于如何从结构和设计角度提高钢结构桥梁使用年限的研究较少。钢结构寿命与钢筋混凝土结构有根本不同，国内外实践表明，钢结构的耐久性对钢结构桥梁的安全经济运行起着决定性作用。

4.2 重視疲劳损伤研究

车辆荷载和风荷载在钢结构桥梁结构中是动态的，会导致结构的振动，而且会使材料中产生许多微小误差。这些误差的积累会对结构造成损伤并发展成宏观裂缝。如果宏观裂缝得不到有效控制，很可能导致材料和结构的脆性断裂。早期疲劳损伤通常难以检测，但其后果往往是灾难性的，因此对疲劳损伤的研究必须引起足够的重视。

5 人行钢结构天桥的质量设计要点

5.1 结构设计

钢结构的人行天桥结构类型包括简支梁、连续梁结构和中间承载式桁架等。通常采用MIDAS Civil有限元软件对钢结构人行天桥进行模拟分析计算，通过软件将模型简化，分节计算。计算时对结构赋予自重并加载荷载组合，从而对人行天桥钢结构进行受力分析。通过有限元软件计算后，和相关规范所要求的限度进行对比，查看整个结构构件的稳定性及杆件位移和垂直方向的自振频率是否达到规范要求。当做完主体结构计算后，再对钢结构的节点焊接和螺栓连接强度进行计算，从而得出各边的焊缝长度和结构所需的螺栓数、螺栓分布情况。

5.2 振动设计

桥梁的振动主要由两个因素造成，即行人行走和车辆行驶。在处理人行天桥的动荷载时，应考虑校正。当行人在中心移动时，人行天桥产生双向循环荷载。当交通流量增加时，动荷载也会增加[7]。因此，通过动力分析计算乘客荷载和桥梁振动响应，并根据实测数据科学计算振动响应和桥梁双向振动响应。然后对车辆产生的振动数据进行综合计算，并对桥梁的固有频率和最大位移进行计算和仿真，验证桥梁结构是否满足设计标准的要求。

5.3 防腐设计

与传统钢筋混凝土结构相比，钢结构主体长期暴露在空气、阳光和雨水中，更容易氧化。使用过程中应考虑防腐蚀处理，外露部分可采用防腐涂层（见图2）。对于结构表面现有的锈斑，应按照相关工艺的要求在防腐涂层前进行相应的除锈处理。

6 钢结构人行天桥的设计优化策略

近年来，由于人行钢结构天桥建设范围迅速扩大，设计人员应因地制宜地对钢结构桥梁的整体设计进行优化，并考虑一些关键点，提升钢结构人行天桥结构整体的稳定性、安全性、经济性。主要包括以下几点。

6.1 加强横向抗倾覆稳定设计

在实际设计中合理使用钢结构，可以提高钢结构桥梁设计的质量和强度，但在小半径的设计中，设计人员必须检查水平倾覆阻力[8]。一些钢结构桥梁的倾覆通常是由大跨度钢结构桥梁和钢结构中的承压范围引起的。连续钢托架的半径较小，且钢托架的宽度小于钢结构桥梁宽度，就会导致钢结构桥梁和桥头的承载能力不均匀。因此，在钢结构桥梁设计过程中，设计人员必须优化计算钢结构桥梁跨度的半径和宽度，深入分析梁的受力状态，达到钢结构桥梁的负载平衡，避免发生倾覆。

6.2 焊接结构完整性设计

保证钢结构桥梁技术稳定性的另一个因素是焊接结构的完整性。在设计过程中，焊接结构节点承受不同的荷载。焊接接头易于变形，且具有不完整性。因此，设计人员应充分考虑焊接结构的通用设计，通过试验研究评估结构的静强度和疲劳水平，然后选择合适的焊接方法，采取相应的处理措施保障焊接结构并消除应力。设计中必须考虑试验结果，以确保焊接质量。

6.3 加劲肋设置

加劲肋是在支座或有集中荷载处，为保证构件局部稳定并传递集中力所设置的条状加强件。加劲肋的设置是因为原有构件截面不足，而用来增强抵抗弯矩和剪力，设置加劲肋可以缩小原构件截面大小，从而降低用钢量，压缩成本。所以在工程中，一般将加劲肋设置在原有构件上，起到增强抵抗弯矩和剪力的作用。

6.4 结构内力计算

通常，设计人员计算结构荷载，必须将整个钢结构桥梁划分为不同的载体单元，使用单个载体将其划分为单独的载体模式，然后将一定数量组织成不同的横截面。输入原始数据和相关技术信息[9]。因此，内部结构的计算通常包括所有技术信息，如预应力钢的位置、不同构件的特性等。

7 结语

我国当前的经济发展促进了科学技术的进步，科学技术的繁荣进一步推动了桥梁设计技术的进步，钢结构桥梁在我国也得到了广泛的应用。相关路桥从业的设计人员必须不断优化设计，从而保证钢结构桥梁的稳定性和整体性得到全面提升。这也需要从整体角度进行考虑，对桥梁设计进行全面的分析，进而保证桥梁结构的整体质量得以有效提高。

参考文献：

[1]欧亚斌，郑学伦.关于桥梁钢结构的设计探析[J].中国新技术新产品，2018（17）：74.

[2]王升堂.钢结构人行天桥的实际应用研究[J].交通运输研究，2017（19）：112-114.

[3]朱玲林.现代桥梁钢结构整体设计与优化[J].中国建筑金属结构，2018（12）：24.

[4]史梁.试析桥梁钢结构整体设计优化策略[J].中国新技术新产品，2019（19）：138.

[5]卢永成，邵长宇，曾源，等.上海长江大桥主航道桥设计要点[J].世界桥梁，2009（1）：14-17.

[6]陈遥.桥梁钢结构的整体设计策略[J].中小企业管理与科技，2010（4）：182.

[7]乌丽春.钢结构建造设计存在的问题分析[J].城市建设理论研究2017（10）：93.

[8]李志军，刁华.浅谈桥梁钢结构的整体设计策略[J].中国建筑金属结构，2018（10）：195-196.

[9]刘程亮.浅谈桥梁钢结构的整体设计策略[J].中国建筑金属结构，2017（13）：19-27.