大跨空间异形桁架人行桥设计分析

黄积勇

(福州市规划设计研究院 福建福州 350104)

0 引言

城市人行天桥建设除了满足行人过街的功能需求以外，作为城市景观工程的一个重要组成部分，往往兼顾城市地标性建筑物的景观需求。同时城市道路地下管线众多，为尽量避免迁移管线，天桥的跨径选择受到诸多限制。为减小天桥建设期间对交通的影响，加快工程进度，钢箱梁桥是城市天桥建设的首要选择。但钢箱梁桥往往造型单一，用钢量指标相对较大；受力学指标、结构基频等限制，大跨径箱梁桥的梁高需要采用较大的尺寸。由于桁架桥梁可选择上承、中承或下承，结构类型可选择余地较大；考虑天桥的结构美学造型要求，采用桁架结构同时综合外立面造型设计，拓展了新的设计思路。本文以福道跨甘洪路桥梁为背景，通过建立全桥有限元计算模型，分析异形桁架结构的受力特点，为今后类似工程建设提供参考。

1 工程概况

福道跨甘洪路桥梁是福道由闽江国光公园跨越甘洪路进入金牛山山体的重要节点，该桥桥型设计在保持原有自然地貌的基础上，提出弧形曲线桥梁的设计理念，以一种流畅柔和的姿态，将人流自然地导入整个福道的步道系统中。

设计方案在深入研究桥址区人群交通的特质与现有地形之间的关系后，通过运用弧形曲线桥梁的创新手法，巧妙避开周边现有山体以及道路红线对设计的限制，将地形上原来的劣势合理转换为一种新的设计风格加以全新的呈现，其桥型设计让人群自然无缝地导入福道主线。

立面造型设计方面，不但考虑了行车的视角，而且也站在行人的角度上，对于桥梁整体模型的大小进行了深层次的研究，以保证整个天桥与周围环境的融合。与此同时，由于所处的地理位置与临近闽江的地理条件，风荷载也作为考量的一个重要因素。考虑到桁架结构构件对视线的干扰，天桥桁架梁体外侧采用铝合金进行装饰。

铝合金装饰板采用了穿孔的处理方式，并按黄金比例的原则，对装饰板进行了轻微弯曲的处理，大大减小了装饰构造对于结构所带来的负担，也降低了桥梁体量对行人及车辆所带来的视觉冲击。

桥梁主体结构采用变截面弯、坡桁架异形桥，跨径布置为22.162+15.628+65.729+11.517，桥面宽4 m。组成桁架的各构件均采用圆形钢管，构件采用工厂相贯线切割、焊接制造，现场吊装的方法施工。主桥的立面如图2所示。

图2 梁立面布置

图3 桥梁横断面布置

2 有限元模型

为研究跨甘洪路桁架桥的受力特性，采用midas 软件建立该桥的空间有限元计算模型，如图4所示。

图4 全桥主梁模型

桥梁全桥各单元均采用梁单元进行模拟，桁架腹杆间距约4 m。为降低桥面高程，桥梁主跨采用中承式断面；桁架高度扶手部分高度统一采用1.4 m(主桁架上弦杆中心至扶手辅助桁架顶弦杆中心)。主桁架高度2.38～4.03不等，截面采用梯形布置。

3 整体计算分析

桥梁工程设计荷载按人群荷载5 kPa;风荷载0.7 kPa；结构整体升降温取-5℃～45℃，初始温度20℃，升温25℃，降温25℃。总体静力计算采按照实际施工截面、实际的加工位置建立结构计算模型。总体计算根据荷载组合要求的内容进行内力、应力、主梁极限承载力计算，验算结构在运营阶段应力、主梁极限承载力及整体刚度是否符合规范要求。

图5 全桥应力计算结果

由图5中可知，桁架弦杆、腹杆最大应力不超过210 MPa，满足《公路钢结构桥梁设计规范》规范要求[1]；但不同区域的杆件应力差别较大，杆件尺寸宜根据受力状况分类采用，根据实际内力、应力分析的基础上调整构件尺寸。

在人群荷载作用下跨中结构的最大位移为7.9 cm<8.21 cm=L/800，结构挠度满足要求[2]。

图6 竖向挠度(活荷载)

活荷载或风荷载下侧向挠度要求活荷载或风荷载:最大挠度 ≤ H/300；风压根据风压以及迎风面积，计算出均布力加载在桁架的弦杆，进行验算。

图7 风荷载位移效应

4 减振方案

人行桥在行人激励下其自振频率接近人行走或者跑动的频率时，容易发生共振，以致其竖向加速度超过人体舒适度极限，给行人心理上造成恐慌，严重时会造成人行桥的整体破坏。

根据计算结果，第一竖向震型的固有频率为1.9赫兹。进一步的步行震动分析确定了在2Hz的行走激励频率下桥的振动响应。分析结果显示桥梁为中度动态敏感结构，其响应因子(R)为40。

国际上目前有以下规范规定的人行桥舒适度评价标准[3]：

表1 国际规范中人行桥振动舒适度的临界值

图8 国际标准化组织ISO规范中人行桥振动舒适度的临界曲线(行人运动中)

图8为国际标准化组织ISO规范中人行桥振动舒适度的竖向振动加速度限值临界曲线(行人运动中)，在本结构振动频率下取值0.4(m/s2)。

不同环境、不同振动频率下人体舒适度竖向振动峰值加速度限值见表2[4]：

表2 竖向振动峰值加速度限值

该项目竖向振动加速度限值拟采用国内规范不封闭连廊 0.5m/s2。

计算时，选取整体结构自身阻尼比为0.01。求解方式阵型叠加法，分析时间为15s，步长为 0.01s；在此行人步行激励下，人行桥跨中节点的竖向振动加速度响应如图9所示。

图9 竖向加速度时程曲线

跨中竖向加速度峰值为3.2m/s2。

在跨中布置5套竖向TMD及5水平向TMD来减小人行桥的加速度，TMD参数如表3所示，其布置如图10所示。

表3 TMD参数表

图10 TMD布置位置示意图

安装 TMD 减振器后，有显著的减振效果。图11分别为安装TMD 前后结构最大振动加速度响应时程曲线。可以看出，安装TMD后，结构的加速度响应大幅度降低，并达到规范要求。

图11 加设TMD跨中加速度时程

表4 结构加 TMD 前后加速度振动响应对比

加设TMD后结构最大加速度的取值为结构达到稳态后振动峰值。

5 结论

以跨甘洪路异形桁架桥梁为背景，分析了异形桁架桥梁结构在荷载作用下总体结构、各杆件的受力情况以及桥梁的舒适性分析，得到以下结论：(1)城市景观桥梁采取异形桁架结构设计是可行的；(2)异形桁架各构件零散化严重，个别构件的应力较大。应根据实际内力、应力分析的基础上调整构件尺寸；(3)在风荷载作用下侧向挠度、支座的稳定性设计应着重考虑；(4)大跨径人行桥梁第一垂直自振频率较小，按人行天桥规范要求满足不小于3Hz的设计要求将导致结构体量进一步加大，人致振动和舒适性的设计分析以及减震的分析与减震方案设计是设计重要考量之一。