大跨度弧形連續(xù)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(shè)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(shè)人行天橋過街。鋼結(jié)構(gòu)天橋是現(xiàn)階段發(fā)展趨勢，其根本優(yōu)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(zhì)量容易保證，可重復(fù)利用，橋身造型多變。查閱相關(guān)資料，研究人行天橋結(jié)構(gòu)設(shè)計較多，天橋結(jié)構(gòu)形式也較多，但研究大跨度弧形連續(xù)梁人行天橋較少。本文結(jié)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(jié)構(gòu)設(shè)計實例，歸納大跨度弧形連續(xù)鋼箱梁天橋結(jié)構(gòu)設(shè)計經(jīng)驗總結(jié)。

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(jié)構(gòu)，天橋全長96m，三跨連續(xù)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(biāo)準(zhǔn)斷面形式采用圖1所示。

圖1 天橋標(biāo)準(zhǔn)斷面圖

2 數(shù)值計算模型

結(jié)合實例工程所處位置，本研究計算模型參數(shù)如:①據(jù)《地鐵設(shè)計規(guī)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(jié)構(gòu)超長，需考慮溫度作用，查閱《建筑荷載設(shè)計規(guī)范》GB50009-2012，結(jié)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(jù)《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》GB5011-2010，本實例工程需考慮地震作用，參數(shù)如下:設(shè)防烈度為6度，基本地震加速度值為0.05g，設(shè)計地震分組為第一組，場區(qū)特征周期0.4s，水平地震影響系數(shù)最大值0.063;④過街人行天橋?qū)儆谑姓こ蹋Y(jié)構(gòu)設(shè)計需執(zhí)行《城市人行天橋與人行地道技術(shù)規(guī)范》CJJ69-95，據(jù)此規(guī)范，本研究模型需加載汽車撞擊力，據(jù)規(guī)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(jù)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(yīng)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(jié)點剛性連接。

圖2 三維計算模型

3 數(shù)值計算結(jié)果

(1)計算指標(biāo)研究。據(jù)饒波[1]研究成果，結(jié)構(gòu)自振頻率隨梁高的增高、基礎(chǔ)剛度及墩剛度增大而增大，箱梁底緣寬度對結(jié)構(gòu)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(xù)鋼箱梁結(jié)構(gòu)自振頻率影響見表1。據(jù)分析比較結(jié)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(xù)梁最大跨度。

表1 箱梁高變化對結(jié)構(gòu)自振頻率影響

結(jié)構(gòu)設(shè)計需執(zhí)行《城市人行天橋與人行地道技術(shù)規(guī)范》CJJ69-95，據(jù)此規(guī)范要求，本實例工程大跨度弧形連續(xù)鋼箱梁天橋需核算各種控制指標(biāo)，本研究模型計算結(jié)果如表2。計算結(jié)果表明:結(jié)構(gòu)自振頻率對鋼箱梁梁高選擇起控制作用，其他指標(biāo)如豎向位移、剪切應(yīng)力和正應(yīng)力對鋼箱梁結(jié)構(gòu)設(shè)計不起控制作用，且指標(biāo)富余量較大。

表2 鋼箱梁驗算參數(shù)指標(biāo)

(2)局部穩(wěn)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(yīng)力集中無法核算，需采用板單元驗算局部穩(wěn)定性，主要分受壓和受拉區(qū)域驗算。驗算結(jié)果表明:局部穩(wěn)定驗算主要由受壓區(qū)控制。

受壓翼緣與縱向加勁肋之間的格區(qū)驗算:

受拉翼緣與縱向加勁肋之間的格區(qū)驗算:

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

4 結(jié)語

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

(1)結(jié)構(gòu)自振頻率對鋼箱梁梁高選擇起控制作用，其他指標(biāo)如豎向位移、剪切應(yīng)力和正應(yīng)力對鋼箱梁結(jié)構(gòu)設(shè)計不起控制作用;

(2)局部穩(wěn)定驗算主要由受壓區(qū)控制。

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

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

(5)連續(xù)梁跨度相差較大時，短跨一側(cè)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(yīng)該斷縫處理。

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

[2]GB 50157-2013 地鐵設(shè)計規(guī)范[S].

[3]GB 50009-2012建筑荷載設(shè)計規(guī)范[S].

[4]GB 5011-2010建筑抗震設(shè)計規(guī)范[S].

[5]CJJ 69-95城市人行天橋與人行地道技術(shù)規(guī)范[S].