敦煌基地小轉盤過街人行天橋工程方案設計研究

葉 棟 魏 濤

(中國石油集團工程設計有限責任公司青海分公司，甘肅 敦煌 736202)

敦煌基地小轉盤過街人行天橋工程方案設計研究

葉 棟 魏 濤

(中國石油集團工程設計有限責任公司青海分公司，甘肅 敦煌 736202)

從跨度、橋寬、梯道寬度及長度、結構外形、施工難度、投資估算等方面出發，對過街人行天橋工程項目方案設計中提出的三套設計方案進行對比分析，確定方案一、二為推薦方案，通過建立主梁結構仿真模型，從承載能力、變形能力及結構剛度三個方面進行對比，最終得到方案一的承載能力、變形能力及結構剛度均優于方案二，繼而確定方案一為項目的推薦方案。

跨度，橋寬，方案

0 引言

近幾年，敦煌基地基礎設施改造力度相對較大，各小區總圖改造、基地道路改造也日趨完善，整個基地道路交通狀況得到很大改善。為完善環林帶六公里健身、徒步道路景觀項目，亦為了解決小轉盤人流量較大的問題，青海油田公司計劃在昆侖路與中原路交叉路口建設人行天橋，確保該道路人流交通的安全和豐富城市景觀。

該橋的建設可有效緩解昆侖路車流量較大造成人流通行緩慢的問題，解決環林帶工程小轉盤十字路口人行跨越問題，與此同時，人行天橋亦可成為連接新區和老區的紐帶，成為新、老區之間的地標性建筑。

本文將以該人行天橋為背景，堅持“統一規劃、合理布設、科學適用、方便群眾”的原則，對人行天橋的設計方案作以分析研究，該地區地基條件良好，地基對結構形式的影響較小，故本文以橋梁上部結構為研究對象，主要針對天橋的主梁結構形式、材料選擇、受力狀態、施工難度、投資造價、城市景觀等方面作以對比分析研究，最終得到結構受力合理、材料最優、造價較低的天橋結構。

1 工程概況

1.1 設計內容

本方案設計內容為在青海油田敦煌基地小轉盤路口西側新建一座鋼架結構橋梁，設計方案3套，通過方案比選，確定最終的推薦方案。主梁采用空間鋼桁架結構，橋梁總跨度為43.6 m，分別跨越雙向行車道(2×9.0 m)，4條綠化帶(4×2.0 m)，2條非機動車道(2×4.5 m)，以及兩側人行道(2×4.3 m)，橋梁凈高5.0 m，橋面寬度3.6 m，橋梁兩側分別設置雙面人行梯道，梯道寬度3.0 m。

1.2 設計基本參數[1-4]

1)結構安全等級：二級；2)耐久使用年限：30年(主體結構)；3)地基基礎設計等級：丙級；4)地基處理：暫按天然地基考慮；5)標準凍深：1.40 m；6)結構體系：鋼桁架結構和鋼板梁橋結構；7)抗震設防烈度：7度、第三組、地震加速度0.1g；8)基本風壓：0.50 kN/m2；9)基本雪壓：0.15 kN/m2。

1.3 人行天橋布置原則

人行天橋布置于社保中心大門和CPE青海分公司大門之間直線段區域范圍內，直線區域長40 m；方便行人上下天橋；天橋南側梯道需避讓社保中心大門，北側梯道需與“環林帶”線路人行道緊密連接；橋梁布置需靠近中原路，服務于“環林帶”線路中行人穿越昆侖路，在靠近中原路的同時兼顧整體布局的美觀性。

1.4 方案概況對比分析

對設計中所提出的3套方案：方案一(三跨連續平頂鋼桁架橋)、方案二(三跨連續波形鋼桁架橋)、方案三(鋼板梁橋)，從跨度、橋寬、梯道寬度及長度、結構外形、施工難度、投資估算等方面作以簡單對比，對比結果見表1。

表1 方案對比結果

通過跨度、橋寬、梯道寬度及長度、結構外形、施工難度、投資估算等方面作以簡單對比分析可得：

1)方案三結構簡單，施工便利，造價最低亦能滿足功能要求，但作為城市橋梁，又處在十字交叉路口，結合周圍環境特點，從城市景觀角度考慮，該方案明顯劣勢于方案一、二；

2)方案一、二整體布置情況接近，區別在于上部結構桁架部分的頂部一個為平頂，一個為波形頂。從外觀角度講，方案二的波形頂明顯優于方案一，但波形頂的使用，使得鋼桁架節點連接變得復雜，亦影響到主桁架部分桿件的使用，方案一采用H型鋼桿件，節點連接主要采用螺栓連接，而方案二則為了方便施工，主桁架桿件改用無縫鋼管，節點采用焊接連接，其復雜于螺栓連接；

3)方案一主材選用H型鋼，方案二主材選用無縫鋼管，節點連接亦有差別，考慮到施工難度及造價的因素，方案一優于方案二。

綜上，推薦方案將從方案一、二中產生，方案一、二的方案比選有待進一步的研究。

2 主梁結構仿真模型對比分析

本節針對1.4節的方案概況對比分析所提出的問題，對方案一、二的上部結構主梁結構部分做進一步分析研究。通過Midas/civil有限元軟件建立仿真模型，進行承載能力、變形能力、結構剛度的對比分析。

2.1 建模要點

在Midas/civil有限元軟件中，方案一、二中均為空間桁架結構，有限元軟件建模中，下平縱聯主梁采用梁單元，其他桿件單元均采用桁架單元。建模中僅建立上部桁架部分，不考慮兩側臺階對上部結構的作用，由于地基條件良好，基礎狀態穩定，故建模中亦不考慮下部結構對上部結構的作用影響。建立的有限元模型具體見圖1，圖2。

2.2 有限元模型計算結果對比

1)荷載計算。

人行天橋構件按照梁單元及桁架單元進行計算分析,根據CJJ 69—1995城市人行天橋與地道技術規范[5]的相關條款，主要考慮以下荷載:a.鋼結構的自重：鋼材容重取78.5 kN/m3，結構自重由程序自動計算；b.橋面鋪裝采用5 cm～8 cm鋼筋混凝土及1 cm防滑地磚,容重取26 kN/m3；c.兩側人行欄桿q=2.0 kN/m；d.活載:人群荷載5.0 kN/m2；e.風荷載：0.5 kN/m2；f.溫度荷載:體系整體均勻升、降溫按20 ℃計算。

2)內力對比分析。

對結構有限元模型進行模擬加載，在不同的荷載工況作用下，提取結構內力數據進行對比，具體數據如表2所示。

表2 內力數據對比表

由表2數據分析可知,在自重及外荷載作用下，兩種模型計算得到的內力數據差異顯著。支座反力可間接得到桁架結構的鋼架部分的自重，即方案一自重168.6 kN，方案二自重257.4 kN，方案二結構自重明顯大于方案一；彎矩、應力數據也表現出方案二明顯大于方案一的情形。綜上，方案一的自重小，用鋼量少，結構內力相對較小，承載儲備相對較大，即方案一明顯優于方案二。

3)變形對比分析。

對結構有限元模型進行模擬加載，在不同的荷載工況作用下，提取結構變形數據進行對比，具體數據如表3所示。

由表3數據分析可知,在相同荷載工況作用下，主要考察了結構在跨中位置的主梁及弦桿的豎向變形，經對比得出，方案一在三種荷載工況作用下的變形均小于方案二，方案一抵抗變形的能力優于方案二。

表3 變形數據對比表

根據CJJ 69—1995城市人行天橋與人行地道技術規范的要求,天橋上部結構，由人群荷載計算的最大豎向撓度不應超過L/800的允許值，與鋼結構設計規范相符合。兩種方案的上部結構在人群荷載作用下，結構的最大豎向位移為3.267 mm，遠小于25 mm(20 000/800)的規范限值要求。

4)結構剛度對比分析。

鋼箱梁這種結構形式雖然經濟美觀，能夠滿足承載能力的要求，但這種結構的固有頻率比較低，容易發生共振。專門用于行人的天橋，結構自重小，當橋上行人較多時，很容易產生較大的振動。因此，人行天橋設計中必須注意荷載頻率和自振頻率過分接近而引起的振動問題[6-8]。CJJ 69—1995城市人行天橋與人行地道技術規范2.5.4條的規定，為避免共振，減少行人不安全感，天橋上部結構頻率不應小于3 Hz。

對結構進行剛度振型分析，特征值分析中，采用子空間迭代法，計算前10階振型，迭代次數20次，收斂誤差1×10-10,計算得到結構振動前10階的周期、頻率及振型。方案一、二的振型見圖3。

經計算方案一、二的結構自振頻率分別為4.841 Hz和4.774 Hz，滿足規范的要求，與此同時，可得方案一的剛度略大于方案二，即方案一優于方案二。

3 結語

在1.4小節(方案概況對比分析)中得到，方案一、二各有優勢及劣勢，不能確定優選哪一個方案，經第2章(主梁結構仿真模型對比分析)從結構受力對比分析可得，從承載能力、變形能力、結構剛度三個方面均得到方案一優于方案二，因此，經方案比選，最終確定方案一(三跨連續平頂鋼桁架橋)為本橋方案設計的推薦方案。

[1] GB 50009—2012，建筑結構荷載規范[S].

[2] GB 50007—2011，建筑地基基礎設計規范[S].

[3] GB 50223—2008，建筑工程抗震設防分類標準[S].

[4] GB 50017—2003，鋼結構設計規范[S].

[5] CJJ 69—1995，城市人行天橋與人行地道技術規范[S].

[6] 肖建春.環形人行天橋的結構設計[J].建筑結構學報,1999,20(3):58-63.

[7] 薛紅云.某人行天橋建設方案及其結構設計[J].建筑結構設計,2003(7):4-7.

[8] 林 海.人行天橋結構設計研究[D].成都：西南交通大學碩士學位論文,2013.

Research on engineering scheme design of street pedestrian overpass of Dunhuang base small turntable

Ye Dong Wei Tao

(QinghaiBranch,ChinaPetroleumGroupEngineeringDesignLimitedLiabilityCompany,Dunhuang736202,China)

From the span, bridge width, stairway width and length, structure shape, construction difficulty, investment estimation and other aspects, this paper made contrast analysis on three sets of design schemes mentioned in street pedestrian overpass project schemes, in order to recommend the scheme 1, 2, through the establishment of main beam structure simulation model, from the bearing capacity, deformation capacity and structure stiffness three aspects made comparison, finally gained the bearing capacity of scheme 1, the deformation capacity and structure stiffness better than scheme 2, then determined the scheme 1 was the project recommended scheme.

span, bridge width, scheme

2015-01-28

葉 棟(1988- )，男，助理工程師； 魏 濤(1969- )，男，高級工程師

1009-6825(2015)10-0174-03

U448.11

A