鋁合金天橋設計控制因素研究

呂 哲

（上海市政交通設計研究院有限公司，上海市 200030）

0 引言

鋁合金以其質輕、強度高、擠壓成型工藝先進以及耐腐蝕性等諸多優點，越來越受到人們的青睞。近些年，我國多個城市的新建人行天橋項目已將鋁合金材料作為第一選擇。2017 年，《鋁合金人行天橋技術規程》（T/CECS 471—2017）（以下簡稱《技術規程》）的發布，明確了各工況下的荷載組合、行人質量對鋁合金人行天橋的影響以及設計限值等，改變了早年鋁合金人行天橋結構設計及施工中只能借鑒結構及建筑專業規范和經驗方法的弊端，同時也糾正了一些認識上的誤區。

1 鋁合金材料的力學特性

《技術規程》建議鋁合金人行天橋采用桁架結構。結合鋁合金材料的自身特點與桁架結構的受力特性，可分析出鋁合金人行天橋的設計控制因素。表1 為鋁合金材料6082-T6 與鋼材Q345 的力學性能對比。

由表1 可知：鋁合金材料的彈性模量、剪切模量、密度均約為鋼材的1/3，強度則約為鋼材的3/4[1-2]。早期研究中，一些文獻認為鋁合金人行天橋的控制因素為結構剛度和穩定性，強度為次要因素[3-4]。本文將根據《技術規程》的要求，通過具體工程實例來分析鋁合金人行天橋設計的關鍵因素。

表1 6082 鋁合金與Q345 鋼材力學性能對比

2 結構設計

2.1 總體布置

某新建人行天橋上部結構為鋁合金桁架結構，跨徑為1～33 m，桁架外輪廓高度為4.0 m，采用雙榀桁架體系，橋面凈寬為4.0 m。

主桁架結構由上下主弦桿、腹桿、橫撐桿、斜撐桿等桿件組成，上下弦桿中心距為3.7 m，桁架標準節段長4.125 m，2 片桁架間距為4.42 m（見圖1～ 圖3），節間處設置橫向及斜向連接，以增加橫向剛度。采用板式橡膠支座與下部墩柱連接。

圖1 主桁架結構立面布置圖（單位：mm）

圖2 主橋底平面桿件布置圖（單位：mm）

圖3 主橋斷面（單位：mm）

主橋兩側梯道凈寬4.8 m，與主橋之間設置伸縮縫。

2.2 主要桿件截面

本工程桿件主要采用槽形及箱形截面，除需滿足結構受力要求外，尚需滿足《鋁合金結構設計規范》（GB 50429—2007）對長細比的要求。主要桿件截面及特性見表2。

表2 主要桿件截面及特性

2.3 模型建立

主橋結構利用Midas/Civil 建立有限元模型，采用空間桿件體系，將板式橡膠支座模擬為固定端和滑動端，形成簡支結構。橋面鋪裝、欄桿及雨棚等作為荷載加至結構之上。桿件模型見圖4。

圖4 桿件模型

2.3.1 荷載取值

荷載取值見表3。

表3 荷載取值 單位：kP a

2.3.2 荷載組合

基本組合：1.2G恒載＋1.4Q人群+1.05T溫度+1.05Q雪。

撓度：1.0Q人群。

預拱度：1.0 G恒載+1.0 Q人群。

基頻：1.0 G恒載+0.5 Q人群。

2.3.3 計算結果

（1）讀取基本組合下軸力及彎矩產生的應力最大值（見圖5），由結果可知，基本組合作用下，結構最大應力為51.5 MPa＜[215 MPa]（《技術規程》），即強度驗算滿足設計要求。

圖5 應力計算結果（單位：MP a）

（2）讀取人群荷載下軸力及彎矩產生的變形最大值，由結果可知，在人群荷載作用下，天橋的最大位移為17.9 mm（見圖6），小于最大豎向撓度限值l/600=限值55 mm，即變形驗算滿足設計要求。

圖6 豎向變形計算結果（單位：mm）

（3）驗算簡支梁自振頻率f1時，采用以下估算公式：

式中：l 為計算跨徑；E 為鋁合金的彈性模量；Ic為截面慣性矩；mc為材料每延米質量。

由式（1）可知，當跨徑和截面確定之后，決定結構基頻的是材料本身的彈性模量E 以及材料每延米質量mc。由于鋁合金材料的彈性模量和質量都約為鋼結構的1/3，所以二者結構基頻相近。

但由于鋁合金材料質量輕，受行人影響較大，根據《技術規程》要求，計算基頻時應考慮人群荷載的影響，而對于鋼結構橋梁則無此要求。作為對比，對鋼結構人行天橋同時計入1/2 人群荷載影響。此種情況下，鋁合金人行天橋的基頻銳減為3.6 Hz，已接近3 Hz 的限值，成為結構計算的主控因素（見表4）。

表4 同結構鋁合金橋與鋼橋基頻結果比較 單位：Hz

（4）由鋁合金人行天橋的穩定性驗算結果可知，其臨界荷載系數為7.3＞[4]，表現為上弦桿受壓區的局部失穩（見圖7）。

圖7 結構屈曲分析

2.4 節點連接設計

根據《技術規程》要求，本工程采用螺栓來連接鋁合金受力構件的主要受力節點。

本工程節點螺栓承受剪力，需驗算螺栓的抗剪及承壓能力。

本座人行天橋內力控制桿件為天橋兩端第1 根斜腹桿，桿件軸力約為420 kN（見圖8）。

圖8 軸力值結果（單位：kN）

節點處采用6 枚M16 不銹鋼螺栓連接，每個螺栓有2 個剪切面，壁厚t 為15 mm（見圖9、圖10）。

圖9 節點立面（單位：mm）

圖10 節點平面（單位：mm）

綜上可知：某鋁合金人行天橋主橋的強度、剛度、穩定性、結構基頻及節點連接設計均滿足《技術規程》的相關規定。

3 結語

（1）鋁合金人行天橋具有良好的跨越能力，可以適應跨越較寬道路的功能需求。

（2）桁架鋁合金天橋結構設計的控制關鍵是結構基頻而非撓度。

（3）如果結構主要為受彎構件，如梯道采用縱橫梁體系，則鋁合金天橋的設計控制因素首要應為變形。

（4）建議根據具體項目的人群流量實測資料，按實測結果記入人群對鋁合金人行天橋的影響。

（5）根據計算，鋁合金桁架人行天橋的矢跨比約為1∶10。

（6）對鋁合金材料特性及對橋梁設計中關鍵因素的把控，將提升鋁合金材料的使用效率，降低建造成本。