高層建筑中鋼結構天橋的計算分析

劉君梅　劉玉

摘 要：文章采用空間有限元方法，結合具體工程對鋼結構天橋各節點的受力特性做了研究分析和計算。分析結果表明：鋼結構天橋在承載能力極限狀態和正常使用極限狀態下均滿足規范要求。可供同類橋梁的設計分析參考。

關鍵詞：有限元；鋼結構天橋；受力分析

1 工程概況

某新建建筑22樓要修筑連接通道通往已建成的平臺廣場，且要盡量減小已建建筑平臺的受力，故考慮連接通道形式為斜拉式鋼結構天橋。鋼結構天橋主梁采用2條直線型H型鋼，中間由橫隔板連接，在H型鋼外側分別勻分布四根斜拉索，拉索錨固在24樓頂剪力墻內，具體形式和尺寸如下圖所示：

圖1 鋼結構天橋布置圖

2 有限元計算模型

2.1 主要材料和計算參數。鋼材強度設計值均按《鋼結構設計規范》（GB50017-2003）取值。拉索的破斷拉力則根據《一般用途鋼絲繩》（GBT20118-2006）計算取值。

計算參數：（1）永久作用的一期恒載：按照實際結構尺寸考慮。二期恒載：雙側欄桿（15kN/m）+4cm鋼筋混凝土鋪裝（3.8kN/m）+2cm花崗巖面層（1.9kN/m）+6mm鋼板（1.872kN/m）=23kN/m。（2）可變作用人群荷載：整體計算時采用集度值為3.5kN/m2。（3）荷載組合根據建筑結構荷載規范（GB5009-2012）進行荷載組合，按最不利組合進行計算。

2.2 結構計算方式。橋梁縱向計算采用按梁單元和桁架單元建模計算，根據實際施工過程及使用過程的最不利狀況，進行荷載組合，求得結構最不利狀態下的應力和位移，并需求出在正常使用階段鋼結構天橋的自振頻率，按規范中所規定的各項容許指標，驗算橋梁是否滿足要求。

2.3 有限元計算模型。根據高層建筑中鋼結構天橋的結構形式，將斜拉索模擬成只受拉不受壓的桁架單元，主梁和次梁分別用梁單元模擬，橋面、欄桿等簡化為荷載，用有限元軟件midas /civil建模，具體形式可見以下模型：

圖2 鋼結構天橋計算模型

3 結構分析結果描述

3.1 主梁與次梁計算結果。根據有限元模型，計算可知，主梁最大壓應力56.2MPa，次梁最大拉應力為8.7MPa。在承載能力極限狀態下，通過組合計算，最大壓應力93.9MPa，次梁最大拉應力為30.6MPa，符合規范要求。

3.2 拉索計算結果。索單元的最大內力為255.4kN。本橋設計采公稱抗拉強度為1960MPa，為6×19S+IWR型號鋼芯鋼絲繩，通過查表可知，鋼絲繩最小破斷拉力為904kN。

安全系數K=904/255.4=3.54>3

由此可知，該鋼絲繩滿足需求。

圖3 鋼結構天橋應力圖（MPa） 圖4 桁架單元內力圖（kN）

3.3 錨固區計算結果。錨固區主要分為上、下錨點，上錨點為拉索錨點，下錨點為主梁與屋面梁相接的錨點。根據受力可知，上錨點受拉、下錨點受壓，而受拉錨點最危險。故上錨點，根據《混凝土結構設計規范》（GB50010-2010）進行錨固區受力計算，計算所需錨筋為8025.9mm2，實際配筋面積為9818 mm2，滿足規范要求。下錨點則根據構造配筋即可。

3.4 撓度計算結果

圖5 [VT]作用下撓度（單位：mm） 圖6 [VQ]作用下撓度（單位：mm）

由此可知，主梁正常使用極限狀態下，22樓連接橋主梁在[VT]作用下，最大撓度為108mm-預拱度40mm=68mm<2l/400=115mm，滿足鋼結構規范要求； 22樓連接橋主梁在[VQ]作用下，最大撓度為39mm<2l/500=92mm，滿足鋼結構規范要求。

3.5 模態計算結果

圖7 鋼結構天橋一階模態

對高層建筑上鋼結構連接橋進行有限元模態分析，質量源選取為所有恒載，通過計算可知：鋼結構一階自振頻率為3.02Hz滿足規范規定大于3Hz要求。橋梁使用性能滿足要求。

4 結語

通過計算分析可知，該高層建筑中的鋼結構天橋在承載能力極限狀態和正常使用極限狀態下均滿足規范要求。可供同類橋梁的設計分析參考。

參考文獻

[1] GB50017-2003.鋼結構設計規范.

[2] GB50010-2010.混凝土結構設計規范.

[3] GB50009-2012.建筑結構荷載規范.

摘 要：文章采用空間有限元方法，結合具體工程對鋼結構天橋各節點的受力特性做了研究分析和計算。分析結果表明：鋼結構天橋在承載能力極限狀態和正常使用極限狀態下均滿足規范要求。可供同類橋梁的設計分析參考。

關鍵詞：有限元；鋼結構天橋；受力分析

1 工程概況

某新建建筑22樓要修筑連接通道通往已建成的平臺廣場，且要盡量減小已建建筑平臺的受力，故考慮連接通道形式為斜拉式鋼結構天橋。鋼結構天橋主梁采用2條直線型H型鋼，中間由橫隔板連接，在H型鋼外側分別勻分布四根斜拉索，拉索錨固在24樓頂剪力墻內，具體形式和尺寸如下圖所示：

圖1 鋼結構天橋布置圖

2 有限元計算模型

2.1 主要材料和計算參數。鋼材強度設計值均按《鋼結構設計規范》（GB50017-2003）取值。拉索的破斷拉力則根據《一般用途鋼絲繩》（GBT20118-2006）計算取值。

計算參數：（1）永久作用的一期恒載：按照實際結構尺寸考慮。二期恒載：雙側欄桿（15kN/m）+4cm鋼筋混凝土鋪裝（3.8kN/m）+2cm花崗巖面層（1.9kN/m）+6mm鋼板（1.872kN/m）=23kN/m。（2）可變作用人群荷載：整體計算時采用集度值為3.5kN/m2。（3）荷載組合根據建筑結構荷載規范（GB5009-2012）進行荷載組合，按最不利組合進行計算。

2.2 結構計算方式。橋梁縱向計算采用按梁單元和桁架單元建模計算，根據實際施工過程及使用過程的最不利狀況，進行荷載組合，求得結構最不利狀態下的應力和位移，并需求出在正常使用階段鋼結構天橋的自振頻率，按規范中所規定的各項容許指標，驗算橋梁是否滿足要求。

2.3 有限元計算模型。根據高層建筑中鋼結構天橋的結構形式，將斜拉索模擬成只受拉不受壓的桁架單元，主梁和次梁分別用梁單元模擬，橋面、欄桿等簡化為荷載，用有限元軟件midas /civil建模，具體形式可見以下模型：

圖2 鋼結構天橋計算模型

3 結構分析結果描述

3.1 主梁與次梁計算結果。根據有限元模型，計算可知，主梁最大壓應力56.2MPa，次梁最大拉應力為8.7MPa。在承載能力極限狀態下，通過組合計算，最大壓應力93.9MPa，次梁最大拉應力為30.6MPa，符合規范要求。

3.2 拉索計算結果。索單元的最大內力為255.4kN。本橋設計采公稱抗拉強度為1960MPa，為6×19S+IWR型號鋼芯鋼絲繩，通過查表可知，鋼絲繩最小破斷拉力為904kN。

安全系數K=904/255.4=3.54>3

由此可知，該鋼絲繩滿足需求。

圖3 鋼結構天橋應力圖（MPa） 圖4 桁架單元內力圖（kN）

3.3 錨固區計算結果。錨固區主要分為上、下錨點，上錨點為拉索錨點，下錨點為主梁與屋面梁相接的錨點。根據受力可知，上錨點受拉、下錨點受壓，而受拉錨點最危險。故上錨點，根據《混凝土結構設計規范》（GB50010-2010）進行錨固區受力計算，計算所需錨筋為8025.9mm2，實際配筋面積為9818 mm2，滿足規范要求。下錨點則根據構造配筋即可。

3.4 撓度計算結果

圖5 [VT]作用下撓度（單位：mm） 圖6 [VQ]作用下撓度（單位：mm）

由此可知，主梁正常使用極限狀態下，22樓連接橋主梁在[VT]作用下，最大撓度為108mm-預拱度40mm=68mm<2l/400=115mm，滿足鋼結構規范要求； 22樓連接橋主梁在[VQ]作用下，最大撓度為39mm<2l/500=92mm，滿足鋼結構規范要求。

3.5 模態計算結果

圖7 鋼結構天橋一階模態

對高層建筑上鋼結構連接橋進行有限元模態分析，質量源選取為所有恒載，通過計算可知：鋼結構一階自振頻率為3.02Hz滿足規范規定大于3Hz要求。橋梁使用性能滿足要求。

4 結語

通過計算分析可知，該高層建筑中的鋼結構天橋在承載能力極限狀態和正常使用極限狀態下均滿足規范要求。可供同類橋梁的設計分析參考。

參考文獻

[1] GB50017-2003.鋼結構設計規范.

[2] GB50010-2010.混凝土結構設計規范.

[3] GB50009-2012.建筑結構荷載規范.

摘 要：文章采用空間有限元方法，結合具體工程對鋼結構天橋各節點的受力特性做了研究分析和計算。分析結果表明：鋼結構天橋在承載能力極限狀態和正常使用極限狀態下均滿足規范要求。可供同類橋梁的設計分析參考。

關鍵詞：有限元；鋼結構天橋；受力分析

1 工程概況

某新建建筑22樓要修筑連接通道通往已建成的平臺廣場，且要盡量減小已建建筑平臺的受力，故考慮連接通道形式為斜拉式鋼結構天橋。鋼結構天橋主梁采用2條直線型H型鋼，中間由橫隔板連接，在H型鋼外側分別勻分布四根斜拉索，拉索錨固在24樓頂剪力墻內，具體形式和尺寸如下圖所示：

圖1 鋼結構天橋布置圖

2 有限元計算模型

2.1 主要材料和計算參數。鋼材強度設計值均按《鋼結構設計規范》（GB50017-2003）取值。拉索的破斷拉力則根據《一般用途鋼絲繩》（GBT20118-2006）計算取值。

計算參數：（1）永久作用的一期恒載：按照實際結構尺寸考慮。二期恒載：雙側欄桿（15kN/m）+4cm鋼筋混凝土鋪裝（3.8kN/m）+2cm花崗巖面層（1.9kN/m）+6mm鋼板（1.872kN/m）=23kN/m。（2）可變作用人群荷載：整體計算時采用集度值為3.5kN/m2。（3）荷載組合根據建筑結構荷載規范（GB5009-2012）進行荷載組合，按最不利組合進行計算。

2.2 結構計算方式。橋梁縱向計算采用按梁單元和桁架單元建模計算，根據實際施工過程及使用過程的最不利狀況，進行荷載組合，求得結構最不利狀態下的應力和位移，并需求出在正常使用階段鋼結構天橋的自振頻率，按規范中所規定的各項容許指標，驗算橋梁是否滿足要求。

2.3 有限元計算模型。根據高層建筑中鋼結構天橋的結構形式，將斜拉索模擬成只受拉不受壓的桁架單元，主梁和次梁分別用梁單元模擬，橋面、欄桿等簡化為荷載，用有限元軟件midas /civil建模，具體形式可見以下模型：

圖2 鋼結構天橋計算模型

3 結構分析結果描述

3.1 主梁與次梁計算結果。根據有限元模型，計算可知，主梁最大壓應力56.2MPa，次梁最大拉應力為8.7MPa。在承載能力極限狀態下，通過組合計算，最大壓應力93.9MPa，次梁最大拉應力為30.6MPa，符合規范要求。

3.2 拉索計算結果。索單元的最大內力為255.4kN。本橋設計采公稱抗拉強度為1960MPa，為6×19S+IWR型號鋼芯鋼絲繩，通過查表可知，鋼絲繩最小破斷拉力為904kN。

安全系數K=904/255.4=3.54>3

由此可知，該鋼絲繩滿足需求。

圖3 鋼結構天橋應力圖（MPa） 圖4 桁架單元內力圖（kN）

3.3 錨固區計算結果。錨固區主要分為上、下錨點，上錨點為拉索錨點，下錨點為主梁與屋面梁相接的錨點。根據受力可知，上錨點受拉、下錨點受壓，而受拉錨點最危險。故上錨點，根據《混凝土結構設計規范》（GB50010-2010）進行錨固區受力計算，計算所需錨筋為8025.9mm2，實際配筋面積為9818 mm2，滿足規范要求。下錨點則根據構造配筋即可。

3.4 撓度計算結果

圖5 [VT]作用下撓度（單位：mm） 圖6 [VQ]作用下撓度（單位：mm）

由此可知，主梁正常使用極限狀態下，22樓連接橋主梁在[VT]作用下，最大撓度為108mm-預拱度40mm=68mm<2l/400=115mm，滿足鋼結構規范要求； 22樓連接橋主梁在[VQ]作用下，最大撓度為39mm<2l/500=92mm，滿足鋼結構規范要求。

3.5 模態計算結果

圖7 鋼結構天橋一階模態

對高層建筑上鋼結構連接橋進行有限元模態分析，質量源選取為所有恒載，通過計算可知：鋼結構一階自振頻率為3.02Hz滿足規范規定大于3Hz要求。橋梁使用性能滿足要求。

4 結語

通過計算分析可知，該高層建筑中的鋼結構天橋在承載能力極限狀態和正常使用極限狀態下均滿足規范要求。可供同類橋梁的設計分析參考。

參考文獻

[1] GB50017-2003.鋼結構設計規范.

[2] GB50010-2010.混凝土結構設計規范.

[3] GB50009-2012.建筑結構荷載規范.