赣州市某人行天桥设计及树杈形桥墩创新思考

郁孟德

摘 要：赣州市某人行天桥跨越城市主干道，主桥总长60 m，桥宽5.06 m，桥梁下部结构采用树杈形桥墩，树杈节点采用铸造钢结构，上部结构采用连续钢箱梁，梁高1.2 m，跨径为28.3 m+28.3 m，桥面加装V形钢结构雨棚，具备城市人行天桥实用、美观的效果。本桥在设计过程中，采用Midas Civil和ANSYS软件对桥梁结构体系和关键节点进行分析计算，最终确定桥梁中支点处采用与树杈形立柱固结，边支点处采用支座与树杈平台连接的方式。本文阐述了人行天桥的设计、计算全过程，对后续同类桥梁的受力体系确定、材料选择、景观效果以及创新思路具有良好的指导价值。

关键词：城市人行天桥;钢结构;树杈形桥墩;铸造钢;计算方法;结构体系;创新思考

1 工程概况

1.1 总体布置

本人行天桥采用连续钢箱梁，跨径组合为28.3 m+28.3 m，梁高1.2 m，总宽5.06 m，桥墩采用树杈形桥墩，为铸造钢结构，基础采用扩大基础。

1.2 桥型结构

上部结构采用2跨一联的连续钢箱梁，钢结构采用分段制作，现场吊装拼接，主梁结构标准段为等截面钢箱梁，梁高1.20 m，横隔板标准间距为2.0 m，纵向加劲肋采用“I”字肋，主桥钢材均采用Q345qD。箱梁顶部设置钢结构雨棚，雨棚采用纵横交错的钢管结构，钢管与主梁顶、钢管与钢管之间均采用角焊缝焊接，雨棚顶采用PC耐力板，PC耐力板与钢管采用螺栓连接。

下部结构采用树杈形墩柱，树杈形墩柱分为树枝和树干两部分，每个树干接4个树枝，树干外径大小变化范围为0.4 m～0.7 m，树枝外径大小均为0.2 m，考虑全桥受力的合理性，中支点树杈形墩柱与主梁采用焊接连接（固结），边支点设置树杈钢平台，平台顶部设置支座与主梁连接，为保证树杈受力性能，在树干与树枝交叉节点处采用铸钢结构，材料为45号钢，壁厚40 mm，采用专业的钢结构软件进行三维放样，并请具有相应资质与制作能力的厂家加工，对关键节点进行射线检测，检测结果需满足国家规范要求，为保证横向受力舒适性，在树杈节点中下部填充自密实微膨胀混凝土C40。

2 桥梁结构计算分析

2.1 计算模型

整体计算采用MIDAS CIVIL软件计算，全桥采用整体截面，建立三维空间有限元模型。其中，钢结构主梁、墩柱采用空间梁单元模拟，桥梁中支点为固结，边支点支座刚度取实际支座刚度模拟，同时建立上部结构雨棚。

2.2 荷载条件

（1）一期恒载钢筋混凝土容重γ=26 kN/m3，钢材、钢筋容重γ=78.5 kN/m3;二期恒载桥面铺装为钢筋混凝土铺装，厚度8 cm，容重γ=25 kN/m3，栏杆单侧每延米计0.76 kN/m，雨棚上玻璃及附属结构按0.33 kN/m2计入。

（2）人群荷载按人行道考虑满布人群荷载进行最不利工况加载，根据《城市人行天桥与地道技术规范》（2003年修改单）取用，人群荷载为3.6 kN/m2。

（3）温度作用：体系温差按《公路桥涵设计通用规范》（JTGD60-2015）的规定，最高温度+30℃，最低温度为-30℃;温度梯度按《公路钢结构桥梁设计规范》JTGD64-2015考虑主梁结构温度梯度，同时参照英国桥梁荷载规范（BS5400）。

（4）雪荷载及风荷载：雨棚雪荷载按《建筑结构荷载规范》（GB 50009-2012）计入，按0.5 kN/m2考虑;风荷载按《公路桥梁抗风设计规范》（JTG/T 3360-01-2018）附录A取值，按50年重现期的22.3 m/s风速取值，并按相关规定计算主梁风荷载。

2.3 承載能力极限状态验算

根据《公路桥涵设计通用规范》（JTG D60-2015）4.1.5规定，在长期荷载作用下，对钢结构主梁、墩柱在作用基本组合下进行应力验算，计算结果得出，钢结构主梁最大压应力为75.1 MPa，最大拉应力为61.9 MPa，最大剪应力为24.6 MPa;墩柱最大压应力为157.4 MPa，最大拉应力为69.8 MPa，最大剪应力为2.8 MPa。本次设计主梁、桥墩钢结构均采用Q345钢材，材料的抗拉、抗压和抗弯强度设计值为fd=275 MPa，抗剪强度设计值为fvd=160 MPa。从计算的应力结果得出，在基本组合作用下，正应力、切应力小于规范要求，结构满足材料强度要求。

2.4 正常使用极限状态验算

根据《公路钢结构桥梁设计规范》（JTG D64-2015）4.2.3规定，钢结构主梁在移动荷载（不计冲击力）作用下钢主梁的最大竖向挠度不应大于L/500。由计算结果可知，在活载作用下，主梁的最大竖向下挠度为15.8 mm，主梁的最大竖向上挠度为14.3 mm，符合桥面梁的最大竖向挠度不应大于28 300/500=56.6 mm的限值要求，本桥主梁刚度满足规范要求。

2.5 支座反力

在恒载及活载作用下，标准组合下，钢结构墩柱竖向反力最大值为364.4 kN，最小值为156.3 kN，本次桥梁设计采用双支座，支座型号为GJZ250×250×63，竖向承载能力为452 kN，满足设计要求;根据《公路钢结构桥梁设计规范》（JTG D64-2015）4.2.2.1规定，在基本组合下，单向受压支座始终保证受压状态，由计算结果得出，墩柱在基本组合作用下未出现负反力，结构稳定性满足要求。

2.6 特征值分析

采用Ritz向量法求解特征值，对于人行桥梁，宜使结构频率避开人感频率，人感频率范围取2.5 Hz～3.5 Hz。对结构的动力特性进行分析，第一阶主梁竖弯时，结构自振频率为4.34 Hz，大于规范规定的不小于3 Hz要求，从振动模态及周期、频率来看，主桥结构的结构体系及质量、刚度均属于合理范围之内。

2.7 屈曲分析

弹性稳定性分析采用空间有限元程序Midas进行，求解结构屈曲特征值系数时，当有恒载W和活荷载P作用时，需要计算在恒载存在的情况下，多大的活荷载作用下桥梁会发生失稳，因此在进行运营阶段屈曲分析时把活载作为计算可变荷载。计算时采用迭代反复计算，首先计算在W+P作用下的特征值屈曲系数N1，然后计算W+N1*P作用下的特征值屈曲系数，…，W+N1* N2…Nn-1*P，直到计算出的Nn接近1时候，失稳临界荷载系数即为N1* N2…Nn，最终屈曲分析得到的活载作用下的一阶失稳临界荷载系数应大于10，满足工程设计要求。计算采用第一类线弹性稳定计算方法，计算方程为：

稳定问题转化为求方程的最小特征值问题; 结构稳定安全系数K定义为：K=，式中：K—结构稳定安全系数，Pcr—结构的极限承载力，PT—结构承受荷载之和，实际上，K为结构达到极限承载力时PT的加载倍数。在工程中只有第一阶失稳模态有意义，因此仅给出第一阶失稳模态结果，计算结果表明，一阶失稳模态中，最小稳定安全系数为18.5，大于4满足规范要求。

3 树杈形桥墩分析

采用ansys15.0进行边跨桥墩分析，桥墩采用板单元shell63及梁单元beam188模拟，梁与板采用Mpc184连接，桥墩底采用固结。垫板采用板单元shell63，加劲板及底板厚度为50 mm，建立实际模型分析，立柱施加风荷载。

最大应力193.5 MPa，小于270 MPa的规范要求，强度满足要求。

4 结语

我国钢结构桥梁的设计和施工技术已相当成熟，本文中介绍的人行天桥，主梁及墩柱均采用钢结构，该类结构受力明确，工艺成熟，充分发挥了钢结构在桥梁工程应用当中的优势。本项目在常规钢结构桥梁设计的基础上，充分发挥创新思路，借鉴树干、树枝的意象，桥梁下部结构采用树杈形桥墩，上部结构采用空间异形钢结构雨棚，使桥梁整体更加美观、轻靈。由于桥梁较为大胆的创新，在结构计算中，充分利用Midas Civil及ANSYS软件建模，对结构进行整体及局部分析，以桥梁专业相关设计规范为支撑，对计算结果进行数据分析，最终明确了桥梁的受力体系、结构尺寸、材料选择，以保证桥梁的安全性、适用性、经济性，通过分析本桥的设计过程，对后续同类项目的创新思路、计算过程有一定的指导意义。

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