铝合金天桥抗风设计研究

罗沐鑫

（广东省建科建筑设计院有限公司，广东 广州 510110)

0 引言

目前人行天桥的设计普遍采用钢结构和混凝土结构，其中钢结构的耐腐蚀性较差，后期维护成本较高；而混凝土结构体型笨重，施工工期长，施工时常采用支架施工，影响交通。针对这些问题，提出采用铝合金材料来建造人行天桥，铝合金表面有一层致密的氧化膜，耐腐蚀性强，并且质量较轻，便于吊装，各杆件拼装后可运输至现场吊装施工，大大缩短了施工工期，减少了施工对城市交通的不利影响。对于工期紧张、马上要实施的项目工程来说，铝合金天桥的优势越来越明显，工厂预制、现场吊装、对地基要求不高，从设计到施工的时间大大缩短，使它在建筑工程中得到了越来越多的推广应用，铝合金桥、铝合金穹顶等结构亦成为近年来结构设计的热点。本文针对铝合金天桥与钢结构桥梁和混凝土桥梁的异同，提出了铝合金天桥应该更加注重桥梁的抗风设计，对实际工程中铝合金材料运用到桥梁上的抗风设计作详细介绍，供广大从业者参考。

1 风荷载计算的相关规定

我国沿海城市的基本风压明显大于内陆，而沿海城市对桥梁的耐腐蚀性提出更高的要求，铝合金天桥的耐腐蚀特性能够很好地满足沿海城市耐腐蚀的要求，同时对抗风性能的要求更高。

根据《城市人行天桥与人行地道技术规范》（CJJ69-95）规定：主桁架构造的横向风力（横桥方向）为横向风压乘以迎风面积；天桥主桁架构造的纵向风力（顺桥方向）按横向风压的40%乘以桁架的迎风面积计算[1]。设计时一般根据当地10m 平均的年最大风速来作为设计基本风速，这里涉及到一个桥梁荷载重现期取值的问题。根据《铝合金人行天桥技术规程》T/CECS471-2017 规定，铝合金桥梁结构的设计基准期应为50 年，设计使用年限为50 年[2]。而根据《城市桥梁设计规范》CJJ11-2011(2019)的强制性条文规定，桥梁结构的设计基准期应为100 年[3]。两项规范要求不相同，由于铝合金天桥对风荷载的响应较为明显，风荷载重现期的取值建议按照100 年来计算。确定好基本风压，计算出铝合金天桥纵桥向和横桥向的施加压力后，可根据风的不同作用位置取最不利加载，根据跟恒荷载的组合分析，验算支座会不会出现脱空现象。如果出现支座脱空现象，会出现落梁的风险，所以应考虑采取相应的抗风措施。

2 铝合金天桥设计中常用抗风措施

现有的铝合金天桥多梁式结构，表现为上部结构与下部结构仅通过支座相连接，在风荷载较大的情况下，由于上部结构为质量较轻的铝合金材料，可能发生整体倾倒的危险。铝合金天桥自重轻是其优势所在，但是在重量较轻的情况下，风荷载作用的影响被放大，容易发生落梁事件。下面介绍几种常见的抗风措施。

2.1 用板式橡胶支座，上下钢板增加螺栓连接

铝合金天桥由于自重较轻，往往支座的反力并不大，因此选用板式橡胶支座较为常见。板式橡胶支座对铝合金天桥的抗风作用仅为根据上部的重力按摩擦力抵抗风荷载水平方向的分力，而没有办法抵抗支座脱空。针对这种情况，设计采用螺栓连接支座的上下钢板，同时开纵向桥的长圆孔，保证桥梁可以纵向温度伸缩。如图1 所示，螺栓通过螺母拧紧，有了抵抗竖向反力的作用，且在侧向抵抗横向风荷载的作用，通过计算，选用合适的螺栓大小，可以很好地抵抗风荷载，防止桥梁移位及支座脱空带来的影响。这种方式适用广泛，制作简单，且造价低廉，通过小小的改进便可以达到很好的抗风效果，值得借鉴推广。

图1 板式橡胶支座上下钢板连接示意图

2.2 选用盆式或球式橡胶支座

对于较大跨径的铝合金天桥，主桥往往采用盆式或球式橡胶支座，而盆式或球式橡胶支座本身具有一定的抗侧移刚度，如图2 所示，以球式橡胶支座为例简要介绍：球式橡胶支座包含不锈钢板、下支座板、球冠衬板、聚四氟乙烯滑板等结构组成，当采用固定支座时，承受的水平力为标准支座反力的10%，设计中可根据计算出的风荷载水平力来选用合适的球式橡胶支座，使抵抗水平力大于风荷载要求的水平力，即可满足设计要求。这种方式简单便捷，可快速选择合适的支座，造价对比板式橡胶支座稍高，但是对于整个桥的造价占比较低，是大跨度铝合金桥梁合适的选择方向。

图2 球式橡胶支座示意图

2.3 增加抗风装置

上面介绍的两种抗风措施均在支座上面去考虑，除了在支座上面考虑，还可以考虑采用抗风装置，可以直接采用或者作为安全储备。下面介绍一种铝合金天桥防风抗震消能装置，如图3 所示。铝合金天桥防风抗震消能装置，在正常情况下，连接板与第一固定板和第二固定板之间是被第一螺栓锁紧固定不动的，因此能够对上部结构起到支撑作用，限制上部结构和下部结构之间的横向位移，从而可以抵抗桥梁受到的横向风荷载，避免了上部结构出现整体倾倒的情况。

图3 抗风装置示意图

考虑到铝合金桁架在温度的作用下会发生一定程度的伸缩，因此本装置在第一固定板与上部结构连接的一端设置长圆孔，并配合螺栓把第一固定板固定连接在上部结构，能够保证上部结构在纵桥方向上能有温度变形的空间。

这种抗风装置可以根据需要的抵抗力进行设计，板件厚度、是否加加劲肋和螺栓大小等均可按实际情况进行调整，能满足各种跨度铝合金桥梁的抗风需求。特别是在类似轻质材料的结构中，如果有抗风需求均可采用，且这种抗风装置占用位置小，造价低，施工方便。

3 计算软件的介绍

目前桥梁设计计算软件大多采用Midas Civil 进行计算，而该软件并无专门的铝合金材料数据及验算规范，若采用Midas Civil 进行计算需要注意自定义材料属性，根据铝合金材料的弹性模量、泊松比、剪切模量、容重及线膨胀系数进行定义，方能准确地算出杆件的内力及变形。而对于风荷载的施加只能采用施加节点力或均布荷载的方式添加，需要自己判断最不利的位置进行施加。现介绍另一款软件3D3S 空间结构设计软件,是同济大学独立开发的CAD 软件系列,3D3S 可以按照输入的风压及风荷载的高度水平，来自动计算最不利的加载方式，且软件里面有完整的铝合金材料及规范验算，计算结果较为良好。由于铝合金天桥的应用案例并不太多，建议设计人员采用两款软件相互校核计算结果。

另外值得注意的是当采用板式橡胶支座时，计算模型支座模拟应该输入支座的侧向刚度，因为实际工程中，板式橡胶支座多采用同样的固定支座规格，不会特别采用滑动支座，因此水平力不会完全传递到某个支座承担，而是由每个支座的刚度来进行分配，所以根据所选的支座计算出支座的侧向刚度，输入模型里，再进行风荷载的水平抗力分析，会得到较为符合实际情况的结果。而支座的刚度计算可参考《公路桥梁抗震设计细则》JTGTB02-01-2008 中6.3.7 关于板式橡胶支座剪切刚度的计算公式进行计算[4]。

4 结束语

针对铝合金材料本身质量较轻，抵抗风荷载的能力较弱这一特点，本着避免铝合金天桥在风荷载作用下发生上部结构的整体倾倒，介绍了设计中可以采用的三种抗风措施。第一种板式橡胶支座通过上下钢板增加螺栓连接方式，适用广泛，制作简单，且造价低廉，通过小小的改进便可以达到很好的抗风效果；第二种利用盆式或球式橡胶支座本身抵抗横向力较大的特点，适用于较大跨径铝合金天桥；第三种增加抗风装置，可以根据需要的抵抗力进行设计，板件厚度、是否加加劲肋和螺栓大小等均可按实际情况进行调整，能满足各种跨度铝合金桥梁的抗风需求。最后介绍了两种常用的结构计算软件，分析了两种软件的特点及运用到铝合金天桥计算时的注意要点，特别提出了支座水平刚度的输入对风荷载水平抵抗力的计算有着关键的作用。