钢管桁架人行景观桥的设计

赵中岩

（中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司桥梁工程所，四川 成都 610072）

0 引 言

随着社会经济的快速发展，城市人行桥梁越来越重视美观性，要求具备轻盈、通透、简洁明快的特性，但往往受跨径、梁高、线形等设计条件的制约，又要求结构充分发挥材料的特性，满足质量轻、强度高、刚度大等力学性能。

由于钢管桁架结构能够兼顾上述景观要求的同时满足力学性能，因此人行景观桥设计中多采用钢管混凝土桁架结构，充分发挥钢材的高强特性，同时利用桁架杆件全截面受力，就成了一种不错的选择。

1 工程概况

某公园内景观轴项目中的桥梁工程，自地下广场开始，横跨两条市政河流、一条沿河市政道路，成为公园东西区地下广场、景观塔、河边栈桥、地下车库等节点的连接纽带。由于本桥跨越市政道路，同时又要与地下工程协调，桥梁最大跨径36 m，多数桥跨小于等于15 m，就要求梁高尽可能小、全桥的梁高变化尽可能平顺。由于本桥平面线形呈发散的螺旋状，在线路起始段平曲线半径不到30 m。地勘资料显示，桥位处于河道冲积扇区域，附近及其外围地区发生过多次中、强破坏性地震，对工程场地均造成了不同程度的影响，桩基应考虑土层液化效应折减。基于以上诸多限制条件，该人行桥的设计摒弃了通常所用的钢箱梁，采用了上部结构更轻的钢管桁架结构。

本文通过对管桁式人行桥的计算，给出了合理的结论，并进行了部分参数的敏感性分析，希望为今后同类型桥梁的设计提供参考。

2 设计标准

该桥梁属城市公园内专用人行桥梁。

（1）桥梁结构设计安全等级：一级。桥面宽度：变宽2.0～6.67 m。

（2）设计洪水频率：1/100 a。

（3）设计荷载：

a. 人群荷载：按《城市桥梁设计规范》取值。

b. 抗震设防标准：抗震基本烈度为9 度，地震动峰值加速度为0.40g，特征周期为0.45 s，抗震设防类别为丁类。

3 设计标准

该桥分为五联，采用（14+3×12）m+（30+36+30）m+（4×15）m+（3×15）m+（3×14+12）m=305 m 的布置。桁架通高0.9m，桥面布置为0.4 m 钢栏杆+3.2 ～5.9 m人行道+0.4 m 钢栏杆。

第二联成为全桥的控制联，其曲线半径较小，仅为30 m，但跨径最大，为36 m。本文仅对第二联（30+36+30）m 进行研究。

第二联由上弦杆、下弦杆、腹杆、横梁、纵梁等组成，桁架高度为0.9 m，宽度为3.6 m，纵向节间距平均值3.6 m，桥面布置为0.4 m 钢栏杆+3.2 m 人行道+0.4 m 钢栏杆。钢管均采用Q345C 材质，填充混凝土C40，构件规格详见表1。

表1 第二联钢桁架构件规格

桁架横断面呈倒三角形，如图1 所示。该结构是在常规上承式钢桁架的基础上将两片主桁的下弦杆退化成一根，取消了下平纵联，并将上弦杆间距适当拉开，在增强了桁架横向刚度的同时，使桁架高度满足设计要求，并满足景观轻型化的要求。该结构在纵向及横向上均采用稳定的“三角形”构造，造型简洁，力学概念清晰，自重较轻而结构刚度较大[1]。

图1 第二联横断面（单位:mm）

桥墩采用钢管混凝土结构[2-3]，中墩采用双Y 形墩，上端顺桥向分叉；边墩采用树形墩（即将单Y 形墩直柱延伸到顶）。其中，直柱采用600×16 钢管混凝土结构，斜肢采用450×16 钢管混凝土结构[2-3]。

4 结构分析

4.1 建模与假定

采用Midas Civil 2021 有限元程序建模。所有构件按照桁架单元进行建模计算，节点采用刚性节点。桁架和桥墩采用固结，墩底固结。桥梁模型如图2 所示。

图2 第二联模型三维图

4.2 应力分析

静力计算考虑的荷载主要有结构自重、二期恒载1.57 kN/m2、人群荷载4.232 kN/m2、整体升温30°，整体降温30°。上弦杆单侧单独升温15°，下弦杆单独升温15°。

由表2 可知，各杆件的应力均能满足规范[4]要求。

表2 第二联钢桁架应力验算

4.3 挠度分析

由图3 可知，人群荷载产生的挠度为44.0 mm，小于L/800=45 mm，满足规范[5]的要求。由图4 可知，桁架标准组合下最大挠度为98 mm，大于L/1 600=19.4 mm，应设置预拱度。

图3 人群荷载产生的挠度（单位:mm）

图4 标准组合产生的挠度（单位:mm）

4.4 杆件长细比分析

杆件应进行长细比分析，避免局部失稳。结果见表3、图5。

图5 杆件长细比验算

表3 第二联钢桁架构件长细比验算

由表3、图5 所示结果可知，各杆件的长细比均能满足规范[4]要求。

4.5 动力分析

桁架结构自重较小，活载与恒载的比值相对较大，因此动力特性分析尤其重要。根据规范[5]第2.5.4条规定：为避免共振，减少行人不安全感，竖向自振频率不应小于3.0 Hz。

由表4、图6、图7 可知，前4 阶阶振型主要表现为横向振动，其频率为1.86～2.73 Hz，均在横向敏感频率0.5～1.2 Hz 范围[6]之外；第5 阶振型主要表现为竖向振动，其频率为3.32 Hz，不仅在竖向敏感频率1.6～2.4 Hz 范围[6]之外，还满足规范[5]的规定。

图6 1 阶对称横弯

图7 1 阶竖弯

表4 第二联钢桁架前5 阶振型及频率

4.6 稳定性分析

桁架结构轻盈，杆件细长，除了长细比控制的杆件局部稳定要求外，应进行整体稳定性验算。根据分析结果（见图8），1 阶屈曲模态表现为桥墩失稳，恒载基础上相对于人群荷载的稳定性系数为90.8，满足稳定性使用要求[7]（第一类稳定，安全系数不小于4）。

图8 1 阶屈曲模态

5 用钢量比较

第二联钢桁架同比用钢量比较见表5。

表5 第二联钢桁架同比用钢量比较

由表5 可知，同样宽度、跨度桥型相比，钢管桁架结构用钢量占钢箱梁用钢量的39.4%，上部结构质量明显减少，更适合高震区及不良地质条件，且节省造价。

6 参数敏感性分析

为了更好地研究本桥的力学特性，现对本联桁架桥部分参数进行调整，研究不同参数对桁架结构的影响。

参数分为四类：荷载类（系统温度、弦杆不均匀温度）、边界类（桥墩刚度、桥墩形式）、弦杆类型（是否灌注混凝土）、桁架尺寸参数（桁高）。

（1）荷载类参数敏感性分析（见表6）。

表6 第二联钢桁架荷载类参数敏感性分析

由表6 可知，温度变化对曲线桁架结构的应力有较大影响，系统升降温引起的应力最大可占允许应力的25%。曲线桁架结构通过空间变形进行适应，本桥所采用的曲线桁架结构对温度的适应方式主要是扭转变形。

（2）边界类参数敏感性分析。 边界类参数分成两种，一种是桥墩与桁架的连接方式（见表7），一种是桥墩的构件形式（见表8）。

表7 第二联钢桁架边界类参数（连接方式）敏感性分析

表8 第二联钢桁架边界类参数（桥墩形式）敏感性分析

由表7 可知，桥墩对桁架约束越强，桁架应力、基频越大；约束越弱，应力、基频越小。提高桁架桥桥墩的线刚度，对提高桁架桥整体的竖向基频是明显的，但同时增大了结构应力，降低了安全度。因此，桥墩的线刚度应该结合应力和基频两个因素综合确定。很多人行桥基频较低，可以通过增大桥墩线刚度增加整体桥梁的自振频率（在上部结构可以利用桥墩刚度的情况下）。

由表8 可知，本联桁架结构桥墩采用空钢管φ400×16 即可满足应力和挠度的要求（此时钢管桥墩最大应力159 N/mm2），桥墩在不考虑桁架挠度的情况下使用空钢管φ400×16 即可，既节省材料，又可以节省混凝土灌注等施工费用。规范[8]对桁架桥挠度的限值是1/500（72 mm），远大于规范[5]对挠度的规定。笔者认为，在满足其他指标且应力比不太高（＜0.60）的情况下，后者要求过于严格。

（3）弦杆是否灌注混凝土，分析结果见表9。

表9 第二联钢桁架弦杆类型敏感性分析

由表9 可知，本联桁架结构中间桥墩附近下弦杆是否灌注混凝土[2-3]，将极大影响下弦杆钢管受压程度，不灌注混凝土下弦杆的压应力过高，安全系数过低。

（4）桁高变化分析，结果见表10。

表10 第二联钢桁架桁高敏感性分析

由表10 可知，本联桁架结构桁高对桁架应力、基频、挠度影响较大，随着桁高减少，桁架应力有显著增加，基频减少较为剧烈，挠度影响最大。

7 结 论

（1）钢管桁架结构具备轻盈、通透、简洁明快的视觉效果，应对建筑高度受限时有很大的优势，可以充分发挥材料的力学性能，相较于钢箱梁可以大幅节省用钢量，更适合高震区及不良地质条件，且节省造价。

（2）温度变化对曲线桁架结构的应力有较大影响，曲线桁架结构通过空间变形进行适应。本桥所采用的曲线桁架结构对温度的适应方式主要是扭转变形。

（3）桥墩线刚度变化对曲线桁架结构的影响明显，提高桥墩线刚度可以增大桁架的竖向基频，但同时增大了结构应力，因此桥墩的线刚度应该结合应力和基频两个因素综合确定。桥墩是否采用钢管混凝土结构对桁架应力和基频影响不大，对桁架结构的挠度有影响，但使用空钢管桥墩的情况下挠度超限不多，但造价节省明显。

（4）小半径连续桁架结构中墩附近下弦杆受压程度与是否灌注混凝土使之形成整体钢管混凝土截面密切相关，适当长度范围使用钢管混凝土构件显著降低下弦杆钢管的压应力，并且不增加过多投资。

（5）桁高对桁架应力、基频、挠度影响较大。随着桁高减少，桁架应力有显著增加，基频显著减少，挠度影响最大。