张弦梁人行桥设计

杜建成，郭继业

（珠海市规划设计研究院，广东 珠海519000）

1 引言

张弦梁结构由日本斋藤公男（Masao Saitoh）于1979年提出，是一种区别于传统结构的新型大跨结构形式。张弦梁结构由刚性上弦、柔性拉索和中间撑杆组成，是一种自平衡大跨度预应力空间结构体系，也是混合结构体系发展中一个比较成功的创造。张弦梁结构体系简单、受力明确、结构形式多样、充分发挥了刚柔2种材料的优势，并且制造、运输、施工简捷方便，具有良好的应用前景。鉴于此，某项目人行桥采用张弦梁结构体系。

2 结构设计

张弦梁总体布置见图1。上弦采用跨度54.71 m的单箱三室钢箱梁，梁高0.8 m，宽3 m；拉索采用直径96 mm高钒密闭索，两端锚固在主梁上，线形为悬链线，跨度50.5 m，最大垂度为4.2 m，垂跨比1/12；撑杆采用P168 mm×8 mm、P152 mm×6 mm钢管，全桥共设9道V形撑杆，撑杆间距5.471 m，从跨中向联端，V形撑杆夹角由21°渐变到63°。

图1 张弦梁总体布置图

设计采用的主要材料如下：

1）钢箱梁、撑杆：Q355C钢材，弹性模量E=206 GPa；

2）拉索：锌-5%铝-稀土合金镀层密闭高钒索，其抗拉强度标准值fpk=1 570 MPa，弹性模量Ep=160 GPa；

3）支座：GQZ抗震球铰钢支座；

4）阻尼器：电涡流调谐质量阻尼器，单个阻尼器有效运动质量为800 kg。

3 依据的规范

1）CJJ 11—2011《城市桥梁设计规范》（2019年版）；

2）JTG D64—2015《公路钢结构桥梁设计规范》；

3）JTG D60—2015《公路桥涵设计通用规范》；

4）CJJ 69—1995《城市人行天桥与人行地道技术规范》等。

4 结构验算

4.1 计算模型

采用Midas Civil 2020软件进行结构分析，钢箱梁、撑杆采用梁单元模拟，拉索采用桁架单元模拟，按结构实际支座情况模拟边界条件，计算模型见图2。

图2 计算模型

4.2 计算荷载

1）钢材容重取78.5 kN/m3；

2）二期荷载按实计算；

3）人群荷载按CJJ 11—2011《城市桥梁设计规范》（2019年版）取值；

4）考虑整体升降温25℃。

4.3 强度验算

根据各荷载工况计算结果，钢箱梁、撑杆等构件正应力最大值为182.6 MPa（＜270 MPa），强度满足钢结构规范要求（见图3）。拉索正应力最大值为448.4 MPa，综合系数γs=1 570/448.4=3.5＞3.0，安全系数满足要求（见图4）。

图3 钢箱梁、撑杆最大正应力（单位：MPa）

图4 拉索最大正应力（单位：MPa）

4.4 刚度验算

在人群荷载作用下，钢箱梁主梁挠度为88 mm＜54 710/600=91 mm，刚度满足钢结构规范要求（见图5）。

图5 人群作用下挠度

4.5 稳定验算

根据计算结果，各阶屈曲模态临界荷载系数均大于4，其中第1阶屈曲模态临界荷载系数为15.38＞4，稳定均满足要求（见图6）。

图6 屈曲模态

4.6 舒适度验算

4.6.1 结构动力特性

根据规范要求，当天桥结构竖向固有频率大于3 Hz，横向固有频率大于1.2 Hz，可不进行人致振动舒适度验算；当天桥结构竖向固有频率小于3 Hz，横向固有频率小于1.2 Hz，应进行人致振动舒适度验算。对于竖向舒适度，应分别验算频率处于1.25~3 Hz的竖向模态；对于横向舒适度，应分别验算频率处于0.5~1.2 Hz的横向模态。

结构第1阶、第4阶模态振型见图7~图8。模态1振型为梁竖向振动，频率为1.732 Hz，位于敏感频率范围内，应进行人致振动舒适度验算；模态2振型为梁横向振动，频率为1.913 Hz，不在敏感频率范围内，可不进行人致振动舒适度验算；模态3振型为梁竖向振动，频率为2.923 Hz，位于敏感频率范围内，应进行人致振动舒适度验算；模态4振型为梁竖向振动，频率为6.534 Hz，不在敏感频率范围内，可不进行人致振动舒适度验算。模态5及更高阶模态的频率均大于3 Hz，可不进行人致振动舒适度验算。

图7 模态1振型：梁竖向振动，频率1.732H z

图8 模态4振型：梁竖向振动，频率6.534H z

4.6.2人致振动分析

按表1进行人致振动分析。

表1 动力设计工况及相应的舒适级别

模态1、模态3各设计工况下的行人简谐波荷载见表2。

表2 行人简谐波荷载

模态1、模态3在各设计工况下的最大加速度和舒适级别见表3。

表3 最大加速度和舒适级别

4.6.3 TMD减振设计

对于模态1，在跨中设4个TMD减振，对于模态3，在1/4跨处各设1个TMD减振。加装TMD后，模态1、模态3各设计工况下的最大加速度和舒适级别见表4，舒适级别满足要求。

表4 加装TM D后最大加速度和舒适级别

5 结语

本项目人行桥采用张弦梁结构体系，具有以下优点：

1）可显著节省钢材。本桥用钢量指标为112 kg/m2，远低于常规的市政钢箱梁用钢量指标（400~550 kg/m2）；

2）张弦梁的构件内力可以自平衡，除竖向反力外，不会对支承结构造成水平推力，减轻了支承结构的负担；

3）上弦钢箱梁与拉索之间只有竖向腹杆，不存在斜腹杆，结构构成简洁，传力路径明确，结构型式轻盈，富有建筑表现力；

4）张弦梁结构体系在本项目的应用，为其他类似项目的设计提供一定的参考价值。