大跨度弧形連續鋼箱梁天橋計算分析

引言

目前我國正處于城市軌道交通建設繁榮時期，地下地鐵車站埋于地下，連接地鐵車站主體各出入口通道兼有過街功能，地面高架車站，需架設人行天橋過街。鋼結構天橋是現階段發展趨勢，其根本優點是施工快捷，對既有交通干擾小，跨度大、斷面小、自重輕，鋼材塑性和韌性好，抗震性能好，質量容易保證，可重復利用，橋身造型多變。查閱相關資料，研究人行天橋結構設計較多，天橋結構形式也較多，但研究大跨度弧形連續梁人行天橋較少。本文結合武漢市軌道交通1號線竹葉海站大跨度弧形鋼箱梁天橋結構設計實例，歸納大跨度弧形連續鋼箱梁天橋結構設計經驗總結。

1 工程概況

實例工程天橋主體為帶懸臂雙箱全焊鋼箱梁結構，天橋全長96m，三跨連續鋼箱梁，跨度為13.5m+43.2m+36.3m，端頭懸挑3m，橋面寬6m，箱梁高度 2.1m，鋼材選用Q345B鋼，天橋柱采用鋼管混凝土雙柱墩。本實例工程屬于城市軌道交通高架車站附屬出入口兼人行過街天橋，天橋上有雨棚頂蓋，天橋標準斷面形式采用圖1所示。

圖1 天橋標準斷面圖

2 數值計算模型

結合實例工程所處位置，本研究計算模型參數如:①據《地鐵設計規范》GB50157-2013，天橋橋面活荷載取4.0kN/m2，輸入計算時需考慮活荷載不利布置;②由于結構超長，需考慮溫度作用，查閱《建筑荷載設計規范》GB50009-2012，結合實例工程地理位置，本研究模型溫度荷載選用±30℃加載，合攏溫度為20℃;③據《建筑抗震設計規范》GB5011-2010，本實例工程需考慮地震作用，參數如下:設防烈度為6度，基本地震加速度值為0.05g，設計地震分組為第一組，場區特征周期0.4s，水平地震影響系數最大值0.063;④過街人行天橋屬于市政工程，結構設計需執行《城市人行天橋與人行地道技術規范》CJJ69-95，據此規范，本研究模型需加載汽車撞擊力，據規范計算公式，平行行車方向按363KN加載，垂直行車方向按175KN加載，撞擊作用點位于路面以上1.8m處。

本研究模型采用MIDAS CIVIL軟件進行三維整體計算，三維計算模型如圖2所示。據饒波[1]研究成果表明，整體受力分析，梁單元方法與板單元方法趨于一致，梁單元方法操作簡單，易于掌握，但局部應力集中處需采用板單元確定。本研究模型采用梁單元分析，局部弧形頂端采用板單元計算分析，墩柱與鋼箱梁之間用橡膠支座連接，研究模型采用彈性連接件模擬橡膠支座，鋼箱梁與兩個橡膠支座采用主從節點剛性連接。

圖2 三維計算模型

3 數值計算結果

(1)計算指標研究。據饒波[1]研究成果，結構自振頻率隨梁高的增高、基礎剛度及墩剛度增大而增大，箱梁底緣寬度對結構自振頻率影響不大。本研究模型分析比較了梁高對大跨度弧形連續鋼箱梁結構自振頻率影響見表1。據分析比較結果，本實例工程選用鋼箱梁梁高2.1m，梁高取值約1/21L，L為連續梁最大跨度。

表1 箱梁高變化對結構自振頻率影響

結構設計需執行《城市人行天橋與人行地道技術規范》CJJ69-95，據此規范要求，本實例工程大跨度弧形連續鋼箱梁天橋需核算各種控制指標，本研究模型計算結果如表2。計算結果表明:結構自振頻率對鋼箱梁梁高選擇起控制作用，其他指標如豎向位移、剪切應力和正應力對鋼箱梁結構設計不起控制作用，且指標富余量較大。

表2 鋼箱梁驗算參數指標

(2)局部穩定驗算。本研究模型采用梁單元分析，對弧形鋼箱梁，弧頂處局部應力集中無法核算，需采用板單元驗算局部穩定性，主要分受壓和受拉區域驗算。驗算結果表明:局部穩定驗算主要由受壓區控制。

受壓翼緣與縱向加勁肋之間的格區驗算:

受拉翼緣與縱向加勁肋之間的格區驗算:

(3)柱底內力分析。據研究模型計算結果，對天橋柱底內力分析，得出結果如下:①弧形天橋彎曲段墩柱軸力相差較大，弧形內側墩柱軸力是外側柱軸力2.67倍;②天橋一側有樓扶梯時，墩柱軸力相差較大，靠近樓扶梯一側墩柱軸力是另一側軸力2.5倍;③連續梁跨度相差較大時，短跨一側墩柱軸力較小，在最不利組合時，墩柱受拉力作用。

4 結語

綜上所述，本文采用MIDAS CIVIL軟件對大跨度弧形連續鋼箱梁進行三維整體計算，得出如下結論:

(1)結構自振頻率對鋼箱梁梁高選擇起控制作用，其他指標如豎向位移、剪切應力和正應力對鋼箱梁結構設計不起控制作用;

(2)局部穩定驗算主要由受壓區控制。

(3)弧形天橋彎曲段墩柱軸力相差較大，弧形內側墩柱軸力約為外側墩柱軸力2.67倍;

(4)天橋一側有樓扶梯時，墩柱軸力相差較大，靠近樓扶梯一側墩柱軸力約為另一側軸力2.5倍;

(5)連續梁跨度相差較大時，短跨一側墩柱軸力較小，在最不利組合時，墩柱受拉力作用。建議柱跨相差較大時，箱梁應該斷縫處理。

[1]饒波.大跨度鋼箱梁人行天橋設計[J]，城市道路與防洪，2009，(2):30～32.

[2]GB 50157-2013 地鐵設計規范[S].

[3]GB 50009-2012建筑荷載設計規范[S].

[4]GB 5011-2010建筑抗震設計規范[S].

[5]CJJ 69-95城市人行天橋與人行地道技術規范[S].