珠海长隆海洋科学馆1#天桥主桥结构设计

张传宽 （汕头市建筑设计院，广东 汕头 515031）

1 工程概况

长隆1#天桥坐落于广东珠海横琴岛，连接着长隆海洋王国和海洋科学馆。主桥净跨为44.90m，桥底净空6.9m，桥顶高度为12.64m。主桥两侧为混凝土结构，顶盖为钢管框架顶盖。最大跨度为9.5m。1#桥三维示意图如图1所示。

图1 1#桥鸟瞰图

2 结构选型和布置

主桥两侧桥墩为钢筋混凝土弧形墙，主桥主跨为钢管空间桁架结构。纵向钢管尺寸为φ203×10，斜向钢管尺寸为φ127×6和φ127×12，桁架下弦杆为焊接H型钢，截面为BH500×250×10×18。钢管和H型钢材料均为Q345B钢材，混凝土为C35混凝土。主桥侧面和剖面示意如图2所示。

图2 1#桥侧立面示意

抗震设防烈度为7度（0.10g），设计地震分组为第二组，建筑场地类比为II类，基本风压分别为：计算桁架变形，选取0.85kN/㎡；计算桁架强度，选取1.00kN/㎡。安全等级为一级，设计使用年限为50年，抗震设防分类为重点设防类。结构最高温度为35℃，最低温度为8℃。

图3 1#桥正剖面示意

图4 1#桥抗风体系示意利用电梯井构成抗风桁架

3 荷载取值与计算

本工程楼面竖向荷载均按照各专业条件取值，其中桥面恒载为2kN/㎡；活载在计算楼板时取值为5kN/㎡，计算梁墙基础时为3.5kN/㎡。钢桥面布置膜结构，恒载取值为0.5kN/㎡，检修活载取值为0.5kN/㎡。检修活载不与风荷载组合。竖向荷载依据比较明确，本文不一一列出计算过程。

3.1.1 风荷载取值

地面粗糙度：A类；

风振系数：βz取值1.6（钢结构）；

基本风压：1.00kN/㎡（100年基准期）

图5 1#桥挡风示意图

3.1.2 体型系数取值

①顺桥方向为敞开的结构，且不存在遮挡，故主桥不考虑顺桥方向风荷载。

②垂直桥面方向风荷载取值：

部分桥面覆盖拉膜，导致该部分桥面为主要挡风构件。拉膜布置图如图6。

图6 1#桥体型系数规范取值

μ取1.1。本工程为钢结构，对风荷载敏感，βz取1.6。

由于下部分为无遮挡，根据《建筑荷载规范》表8.3.1第27项次“四面开敞”来选择体型及体型系数。本工程为半圆结构，倾角大于30°，μ1=+1.6，μ2=+0.4。受力简图如图6。

采用垂直于建筑物上的风荷载标准值计算公式：

因此，F1=1.6×1.1×1.6×1=2.8kN/㎡，F2=1.6×1.1×0.4×1=0.70kN/㎡

3.1.3 无覆盖拉膜，风荷载取值计算

①无拉膜的位置示意图如图7。

图7 1#桥无拉膜位置示意

经过计算，桁架杆件和节点水平投影面积和桁架水平投影面积之比φ=0.143。根据《建筑结构荷载规范》表8.3.1桁架体形系数计算如下：

H/d=5.5/0.127=43.3>25，

μ×w×d²=1.1×1.0×0.127²

=0.0177＞0.015，△为0，体形系数取值为0.6。

则总体无拉膜位置的结构部分体型系数为：0.6×0.143=0.0858。

因此，正面风压为F3=1.6×1.1×0.0858×1=0.151kN/㎡

4 计算结果

4.1 主桥应力比图、变形图

4.1.1 主桥包络应力比图

图8 按“强度应力比”显示构件颜色

图9 按“绕2轴应力比”显示构件颜色

上述计算显示，强度验算和绕强轴稳定验算，杆件应力比均小于0.85，满足设计要求。

绕弱轴稳定验算，局部杆件应力比大于1.0。究其原因是因为软件识别的计算长度不对。现根据规范依据，补充该部分杆件的面外计算长度取值。

4.1.2 关于部分压杆计算长度取值补充计算

部分压杆，软件自动识别的计算长度为6m。按照6m计算下，局部压杆应力比超限。超限的杆件均为X型节点，与压杆相连的杆件在同一工况下，为拉杆。此等情况，压杆的计算长度可根据《钢结构设计标准》7.4.2条做出折减，具体计算如下：

节点示意如图10。截面均为127×12，Q345B钢材。

图10 X型节点

压力最大工况下，压杆内力为265kN，拉 杆 内 力 为 106kN。L取6100mm。E取206×10N/mm。圆管127×12的 Iy取值为：724.5×10mm，则有：

E·Iy=206×10×724.5×10N·mm=1.49×10N·mm

3·N·l²× (N/N-1)/(4π²)=3×106×10×6100²×（265/106-1）/(4π²)=4.55×10N·mm＜1.49×10N·mm

故取l=0.5l=3050mm。

将未定义杆件面外长度的杆件，重新定义面外计算长度，为3050mm。再用3d3s验算复核，均满足受力要求。平面外应力比如下：

图11 按“绕3轴应力比”显示构件颜色

上述计算均考虑了重力荷载、风荷载、地震作用以及温度作用，应力比均小于0.85，满足安全要求。

图12 Uxyz(mm)（重力荷载标准值下变形）

图13 Uxyz(mm)（基准期为50年风荷载变形）

4.1.3 主桥变形图

主桥纯钢结构跨度为25404mm，按照规范要求，竖向作用标准值下，变形最大为 1/400，即：fmax=25404/400=63.51mm>16.2。上述变形满足规范要求。在纯风荷载作用下，变形允许值最大 为 1/1000，即 fmax=25404/1000=25.404mm>13.5，上述变形满足规范要求。

4.1.4 主桥舒适度验算

根据《城市人性天桥与人行地道技术规范》要求，为避免共振，减少行人不安全感，规范限制天桥上部结构竖向自振频率。本工程用3D3S和sap2000来计算主桥第一竖向自振频率，详细如下：

图14计算结果显示频率为1/0.221=4.52Hz，大于《城市人性天桥与人行地道技术规范》2.5.4所要求的3Hz要求。

图14 3d3s计算主桥第一竖向振动

图15计算结果显示频率为1/0.162=6.17Hz，大于《城市人性天桥与人行地道技术规范》2.5.4所要求的3Hz要求。竖向振动频率满足要求。

图15 sap2000计算下主桥第一竖向振动

5 各类节点、预埋件计算

5.1 主桥节点、预埋件计算

5.1.1 验算网架X节点

挑选压力最大的X节点，来验算。根据《钢结构设计标准》13.3.2相关公式，验算过程如下：

图16 X节点计算依据1

压杆最大压力的X型节点，压杆拉杆均为φ127×12，其中拉杆连续。夹角为90°。拉杆应力比为0.3。代入上述公式，得X型节点能承受最大的压力N=1112.41kN。承载力远大于本工程杆件产生的最大压力。

本工程最大的压力不到300kN，故本工程相关的X节点不用增加隔板或者套管来加强。

5.1.2 验算GL3连接节点

GL3连接节点示意图如图17。

图17 GL3节点

本节点仅考虑腹板抗剪。取剪力设计值V=50kN验算螺栓承载力。根据《钢结构设计标准》，详细如下：

K取值1.0，μ取0.4，单剪故n取3，P取155kN，则受剪承载力如下：

Nv=0.9×1×0.4×3×155=167.4kN>50kN，满足要求。

6 结语

本文通过介绍本工程结构布置，对空间钢桁架桥的结构布置、荷载取值以及结构分析和节点设计作出简单论述，希望能为日后的设计提供参考。