異形人行天橋亮化工程設計計算分析研究

□文 /王龍花

1 工程概況

某十字環(huán)形立體交叉型式鋼結(jié)構(gòu)人行天橋承重結(jié)構(gòu)為橋梁用A3鎮(zhèn)靜鋼，相鄰兩條人行道交角為90°，長軸長61.21m，短軸長59.41 m，環(huán)形走道寬3.6 m，梯道寬2.1 m。鋼箱梁梁高：跨中處為1 m，長邊根部為2.215 m，短邊根部為2.204 m。鋼架腿部尺寸上端為2.3 m×1.8 m，下端為1.6 m×1.8 m。支座形式為抗剪器，承臺設置支撐墻體抵抗橋墩水平推力，基礎(chǔ)形式為樁基礎(chǔ)。

2 亮化工程設計

為美化城市環(huán)境，提高城市的整體形象，對該橋進行亮化工程設計，在人行橋中央環(huán)形走道四個方向分別架設一塊空間桁架體系戶外LED顯示屏，桁架結(jié)構(gòu)體系與環(huán)形鋼箱梁腹板焊接，為保證主承重結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，采用空間桁架體系將相對應的兩塊LED顯示屏連接橋上，同時為抵消恒載增加且滿足橋梁防水設計要求，設計決定鑿除原8 cm厚的細石混凝土防水層，改為2 cm厚的橡膠防水層。為確保顯示屏安裝及使用過程的安全，顯示屏承重材料、焊接安裝工藝均應滿足相應規(guī)范規(guī)定。

3 結(jié)構(gòu)計算分析

3.1 結(jié)構(gòu)材料及技術(shù)參數(shù)

1）主結(jié)構(gòu)均采用Q235鋼板，彈性模量1.95×105MPa，標準強度235 MPa，抗拉、壓、彎設計強度均為215 MPa，抗剪設計強度125 MPa。鋼箱梁下翼緣板厚16 mm，上翼緣板厚12mm，腹板、橫隔板、翼緣和加勁肋厚10 mm。

2）顯示屏支撐桁架采用 16#、14#工字鋼，100 mm×50 mm、60 mm×60 mm和40 mm×40 mm矩管。

3.2 荷載標準及荷載組合

1）恒載。包括結(jié)構(gòu)自重，附屬結(jié)構(gòu)、顯示屏及支架恒載，其中結(jié)構(gòu)自重按實際斷面計入。附屬結(jié)構(gòu)：單側(cè)欄桿重為1 kN/m，2 cm橡膠防水層為0.26 kN/m2；坡道踏步為7.2 kN/m，過橋管線等為0.47 kN/m；顯示屏及支架為60 t。

2）活載。主要考慮人群荷載、溫度、風載、沉降。其中人群荷載集度為4 kN/m2，溫度按系統(tǒng)升溫25℃和降溫30℃考慮，設計基本風壓為0.5 kN/m2。鑒于該橋已經(jīng)建成并運營22 a，沉降已趨于穩(wěn)定且顯示屏及支架總質(zhì)量小于鑿除的原鋪裝自質(zhì)量（80 t），故此次分析不考慮沉降因素。

3）荷載組合。主結(jié)構(gòu)整體計算時，正應力及剪應力標準組合=1×恒載+1×人群+1×風載+1×溫度荷載，撓度值正常使用極限狀態(tài)組合=1×恒載+1×人群；主結(jié)構(gòu)細部計算時，荷載組合=1×自重+1×人群+1×風載+1×顯示屏重。

3.3 計算模型

主結(jié)構(gòu)整體計算模型取上部全橋和主墩,采用空間有限元程序TDVRM2006進行計算分析，將全橋離散成134個單元。墩、梁固結(jié)，各橋墩墩底采用固定鉸支座約束，計算模型見圖1。主結(jié)構(gòu)細部分析取1/2橋跨，采用大型有限元計算程序Midas FEA進行局部受力分析，提取截面內(nèi)力及變形結(jié)果作用在邊界面上，從而達到局部模型受力狀態(tài)等同于整體模型。此模型中1/2跨位置界面處采用固結(jié)的約束方式，另側(cè)采用內(nèi)力及位移的邊界條件。上翼緣板、下翼緣板、腹板、橫隔板和加勁肋均采用板殼單元。為更加準確分析鋼桁架與腹板相焊接位置處腹板受力狀態(tài)，此處鋼桁架（16#工字鋼）也采用板殼單元，其它鋼桁架均采用線單元，計算模型見圖2。

圖1 結(jié)構(gòu)整體計算模型

圖2 結(jié)構(gòu)細部計算模型

3.4 整體計算結(jié)果

在荷載標準組合作用下，主結(jié)構(gòu)正應力和剪應力計算結(jié)果見表1；在正常適用極限狀態(tài)組合作用下，環(huán)形走道最大豎向位移見圖3；結(jié)構(gòu)特征值分析一階模態(tài)見圖4；結(jié)構(gòu)特征值分析結(jié)果見表2。

表1 主結(jié)構(gòu)正應力和剪應力計算

圖3 環(huán)形走道最大豎向位移

圖4 主結(jié)構(gòu)特征值分析一階模態(tài)

表2 特征值分析結(jié)果

由表1可知，在荷載標準組合作用下，主結(jié)構(gòu)最大正應力值均小于規(guī)范要求的設計強度，安全系數(shù)在1.97～4.52，具有一定的安全儲備；主結(jié)構(gòu)最大剪應力值均小于規(guī)范要求的設計強度，安全系數(shù)在4.03～50.00，具有較大的安全儲備。

由圖3可知，正常使用極限狀態(tài)組合作用下，環(huán)形走道的最大豎向撓度為70.49 mm，大于CJJ 69—95《城市人行天橋與人行地道技術(shù)規(guī)范》最大撓度37.13 mm的要求，需要設置預拱度，預拱度已在原設計中設置，主結(jié)構(gòu)剛度滿足規(guī)范要求。

由表2可知，該人行天橋一階頻率為2.158 Hz，小于于CJJ 69—95要求的3 Hz，在使用過程中可能造成共振，引發(fā)行人的不安全感。原因在于原設計鋼箱梁剛度太小，原設計沒有考慮該因素，但由于項目的不可逆性，只能在日后使用過程中通過部分限行的方式加以解決。

3.5 細部計算結(jié)果

在荷載組合作用下，主結(jié)構(gòu)翼緣板應力、腹板及橫隔板應力及加勁肋板應力計算結(jié)果見表3，主結(jié)構(gòu)整體最大面范梅塞斯應力見圖5，顯示屏支撐桁架內(nèi)力計算結(jié)果見表4。

由表3計算結(jié)果可知，在荷載組合作用下，主結(jié)構(gòu)各部分最小正（軸向）應力在-40.3～-101.1 MPa，小于規(guī)范要求的設計強度，安全系數(shù)在2.13～5.33之間；最大正（軸向）應力在15.8～77.0 MPa，小于規(guī)范要求的設計強度，安全系數(shù)在2.79～13.61；最大剪應力在17.2～47.1 MPa，小于規(guī)范要求的設計強度，安全系數(shù)在2.65～7.27；最大面范梅塞斯應力在49.3～92.8 MPa，小于規(guī)范要求的設計強度，安全系數(shù)在2.32～4.36，均具有一定的安全儲備，鋼箱梁強度滿足規(guī)范要求。

表3 主結(jié)構(gòu)各部分應力計算結(jié)果

圖5 結(jié)構(gòu)整體最大面范梅塞斯應力

表4 鋼桁架內(nèi)力結(jié)果

由圖5可知，主結(jié)構(gòu)最大面范梅塞斯應力出現(xiàn)在頂板與橫隔板、底板與橫隔板相交處，由前面各部分計算結(jié)果可知，應力值均小于規(guī)范要求的設計強度，鋼箱梁局部穩(wěn)定滿足設計要求。

由表4可知，顯示屏支撐鋼桁架內(nèi)力及應力均較小，滿足設計及使用要求。

4 結(jié)論

1）該橋主結(jié)構(gòu)及顯示屏支撐桁架的強度、剛度、穩(wěn)定性均滿足規(guī)范設計要求；分析結(jié)果驗證了該橋亮化設計方案的可行性，從而可以保證結(jié)構(gòu)的正常使用安全。

2）該橋一階模態(tài)頻率小于規(guī)范要求，為避免使用過程中產(chǎn)生共振，對人行天橋的正常使用帶來危害，應進行部分限行。

3）本研究所采用的設計分析方法可為城市人行天橋的美化裝飾設計提供依據(jù)，為人行天橋亮化工程的推廣應用作為參考。