鋁合金天橋抗風(fēng)設(shè)計(jì)研究

羅沐鑫

（廣東省建科建筑設(shè)計(jì)院有限公司，廣東 廣州 510110)

0 引言

目前人行天橋的設(shè)計(jì)普遍采用鋼結(jié)構(gòu)和混凝土結(jié)構(gòu)，其中鋼結(jié)構(gòu)的耐腐蝕性較差，后期維護(hù)成本較高；而混凝土結(jié)構(gòu)體型笨重，施工工期長(zhǎng)，施工時(shí)常采用支架施工，影響交通。針對(duì)這些問(wèn)題，提出采用鋁合金材料來(lái)建造人行天橋，鋁合金表面有一層致密的氧化膜，耐腐蝕性強(qiáng)，并且質(zhì)量較輕，便于吊裝，各桿件拼裝后可運(yùn)輸至現(xiàn)場(chǎng)吊裝施工，大大縮短了施工工期，減少了施工對(duì)城市交通的不利影響。對(duì)于工期緊張、馬上要實(shí)施的項(xiàng)目工程來(lái)說(shuō)，鋁合金天橋的優(yōu)勢(shì)越來(lái)越明顯，工廠預(yù)制、現(xiàn)場(chǎng)吊裝、對(duì)地基要求不高，從設(shè)計(jì)到施工的時(shí)間大大縮短，使它在建筑工程中得到了越來(lái)越多的推廣應(yīng)用，鋁合金橋、鋁合金穹頂?shù)冉Y(jié)構(gòu)亦成為近年來(lái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的熱點(diǎn)。本文針對(duì)鋁合金天橋與鋼結(jié)構(gòu)橋梁和混凝土橋梁的異同，提出了鋁合金天橋應(yīng)該更加注重橋梁的抗風(fēng)設(shè)計(jì)，對(duì)實(shí)際工程中鋁合金材料運(yùn)用到橋梁上的抗風(fēng)設(shè)計(jì)作詳細(xì)介紹，供廣大從業(yè)者參考。

1 風(fēng)荷載計(jì)算的相關(guān)規(guī)定

我國(guó)沿海城市的基本風(fēng)壓明顯大于內(nèi)陸，而沿海城市對(duì)橋梁的耐腐蝕性提出更高的要求，鋁合金天橋的耐腐蝕特性能夠很好地滿足沿海城市耐腐蝕的要求，同時(shí)對(duì)抗風(fēng)性能的要求更高。

根據(jù)《城市人行天橋與人行地道技術(shù)規(guī)范》（CJJ69-95）規(guī)定：主桁架構(gòu)造的橫向風(fēng)力（橫橋方向）為橫向風(fēng)壓乘以迎風(fēng)面積；天橋主桁架構(gòu)造的縱向風(fēng)力（順橋方向）按橫向風(fēng)壓的40%乘以桁架的迎風(fēng)面積計(jì)算[1]。設(shè)計(jì)時(shí)一般根據(jù)當(dāng)?shù)?0m 平均的年最大風(fēng)速來(lái)作為設(shè)計(jì)基本風(fēng)速，這里涉及到一個(gè)橋梁荷載重現(xiàn)期取值的問(wèn)題。根據(jù)《鋁合金人行天橋技術(shù)規(guī)程》T/CECS471-2017 規(guī)定，鋁合金橋梁結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期應(yīng)為50 年，設(shè)計(jì)使用年限為50 年[2]。而根據(jù)《城市橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范》CJJ11-2011(2019)的強(qiáng)制性條文規(guī)定，橋梁結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期應(yīng)為100 年[3]。兩項(xiàng)規(guī)范要求不相同，由于鋁合金天橋?qū)︼L(fēng)荷載的響應(yīng)較為明顯，風(fēng)荷載重現(xiàn)期的取值建議按照100 年來(lái)計(jì)算。確定好基本風(fēng)壓，計(jì)算出鋁合金天橋縱橋向和橫橋向的施加壓力后，可根據(jù)風(fēng)的不同作用位置取最不利加載，根據(jù)跟恒荷載的組合分析，驗(yàn)算支座會(huì)不會(huì)出現(xiàn)脫空現(xiàn)象。如果出現(xiàn)支座脫空現(xiàn)象，會(huì)出現(xiàn)落梁的風(fēng)險(xiǎn)，所以應(yīng)考慮采取相應(yīng)的抗風(fēng)措施。

2 鋁合金天橋設(shè)計(jì)中常用抗風(fēng)措施

現(xiàn)有的鋁合金天橋多梁式結(jié)構(gòu)，表現(xiàn)為上部結(jié)構(gòu)與下部結(jié)構(gòu)僅通過(guò)支座相連接，在風(fēng)荷載較大的情況下，由于上部結(jié)構(gòu)為質(zhì)量較輕的鋁合金材料，可能發(fā)生整體傾倒的危險(xiǎn)。鋁合金天橋自重輕是其優(yōu)勢(shì)所在，但是在重量較輕的情況下，風(fēng)荷載作用的影響被放大，容易發(fā)生落梁事件。下面介紹幾種常見(jiàn)的抗風(fēng)措施。

2.1 用板式橡膠支座，上下鋼板增加螺栓連接

鋁合金天橋由于自重較輕，往往支座的反力并不大，因此選用板式橡膠支座較為常見(jiàn)。板式橡膠支座對(duì)鋁合金天橋的抗風(fēng)作用僅為根據(jù)上部的重力按摩擦力抵抗風(fēng)荷載水平方向的分力，而沒(méi)有辦法抵抗支座脫空。針對(duì)這種情況，設(shè)計(jì)采用螺栓連接支座的上下鋼板，同時(shí)開(kāi)縱向橋的長(zhǎng)圓孔，保證橋梁可以縱向溫度伸縮。如圖1 所示，螺栓通過(guò)螺母擰緊，有了抵抗豎向反力的作用，且在側(cè)向抵抗橫向風(fēng)荷載的作用，通過(guò)計(jì)算，選用合適的螺栓大小，可以很好地抵抗風(fēng)荷載，防止橋梁移位及支座脫空帶來(lái)的影響。這種方式適用廣泛，制作簡(jiǎn)單，且造價(jià)低廉，通過(guò)小小的改進(jìn)便可以達(dá)到很好的抗風(fēng)效果，值得借鑒推廣。

圖1 板式橡膠支座上下鋼板連接示意圖

2.2 選用盆式或球式橡膠支座

對(duì)于較大跨徑的鋁合金天橋，主橋往往采用盆式或球式橡膠支座，而盆式或球式橡膠支座本身具有一定的抗側(cè)移剛度，如圖2 所示，以球式橡膠支座為例簡(jiǎn)要介紹：球式橡膠支座包含不銹鋼板、下支座板、球冠襯板、聚四氟乙烯滑板等結(jié)構(gòu)組成，當(dāng)采用固定支座時(shí)，承受的水平力為標(biāo)準(zhǔn)支座反力的10%，設(shè)計(jì)中可根據(jù)計(jì)算出的風(fēng)荷載水平力來(lái)選用合適的球式橡膠支座，使抵抗水平力大于風(fēng)荷載要求的水平力，即可滿足設(shè)計(jì)要求。這種方式簡(jiǎn)單便捷，可快速選擇合適的支座，造價(jià)對(duì)比板式橡膠支座稍高，但是對(duì)于整個(gè)橋的造價(jià)占比較低，是大跨度鋁合金橋梁合適的選擇方向。

圖2 球式橡膠支座示意圖

2.3 增加抗風(fēng)裝置

上面介紹的兩種抗風(fēng)措施均在支座上面去考慮，除了在支座上面考慮，還可以考慮采用抗風(fēng)裝置，可以直接采用或者作為安全儲(chǔ)備。下面介紹一種鋁合金天橋防風(fēng)抗震消能裝置，如圖3 所示。鋁合金天橋防風(fēng)抗震消能裝置，在正常情況下，連接板與第一固定板和第二固定板之間是被第一螺栓鎖緊固定不動(dòng)的，因此能夠?qū)ι喜拷Y(jié)構(gòu)起到支撐作用，限制上部結(jié)構(gòu)和下部結(jié)構(gòu)之間的橫向位移，從而可以抵抗橋梁受到的橫向風(fēng)荷載，避免了上部結(jié)構(gòu)出現(xiàn)整體傾倒的情況。

圖3 抗風(fēng)裝置示意圖

考慮到鋁合金桁架在溫度的作用下會(huì)發(fā)生一定程度的伸縮，因此本裝置在第一固定板與上部結(jié)構(gòu)連接的一端設(shè)置長(zhǎng)圓孔，并配合螺栓把第一固定板固定連接在上部結(jié)構(gòu)，能夠保證上部結(jié)構(gòu)在縱橋方向上能有溫度變形的空間。

這種抗風(fēng)裝置可以根據(jù)需要的抵抗力進(jìn)行設(shè)計(jì)，板件厚度、是否加加勁肋和螺栓大小等均可按實(shí)際情況進(jìn)行調(diào)整，能滿足各種跨度鋁合金橋梁的抗風(fēng)需求。特別是在類似輕質(zhì)材料的結(jié)構(gòu)中，如果有抗風(fēng)需求均可采用，且這種抗風(fēng)裝置占用位置小，造價(jià)低，施工方便。

3 計(jì)算軟件的介紹

目前橋梁設(shè)計(jì)計(jì)算軟件大多采用Midas Civil 進(jìn)行計(jì)算，而該軟件并無(wú)專門的鋁合金材料數(shù)據(jù)及驗(yàn)算規(guī)范，若采用Midas Civil 進(jìn)行計(jì)算需要注意自定義材料屬性，根據(jù)鋁合金材料的彈性模量、泊松比、剪切模量、容重及線膨脹系數(shù)進(jìn)行定義，方能準(zhǔn)確地算出桿件的內(nèi)力及變形。而對(duì)于風(fēng)荷載的施加只能采用施加節(jié)點(diǎn)力或均布荷載的方式添加，需要自己判斷最不利的位置進(jìn)行施加。現(xiàn)介紹另一款軟件3D3S 空間結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件,是同濟(jì)大學(xué)獨(dú)立開(kāi)發(fā)的CAD 軟件系列,3D3S 可以按照輸入的風(fēng)壓及風(fēng)荷載的高度水平，來(lái)自動(dòng)計(jì)算最不利的加載方式，且軟件里面有完整的鋁合金材料及規(guī)范驗(yàn)算，計(jì)算結(jié)果較為良好。由于鋁合金天橋的應(yīng)用案例并不太多，建議設(shè)計(jì)人員采用兩款軟件相互校核計(jì)算結(jié)果。

另外值得注意的是當(dāng)采用板式橡膠支座時(shí)，計(jì)算模型支座模擬應(yīng)該輸入支座的側(cè)向剛度，因?yàn)閷?shí)際工程中，板式橡膠支座多采用同樣的固定支座規(guī)格，不會(huì)特別采用滑動(dòng)支座，因此水平力不會(huì)完全傳遞到某個(gè)支座承擔(dān)，而是由每個(gè)支座的剛度來(lái)進(jìn)行分配，所以根據(jù)所選的支座計(jì)算出支座的側(cè)向剛度，輸入模型里，再進(jìn)行風(fēng)荷載的水平抗力分析，會(huì)得到較為符合實(shí)際情況的結(jié)果。而支座的剛度計(jì)算可參考《公路橋梁抗震設(shè)計(jì)細(xì)則》JTGTB02-01-2008 中6.3.7 關(guān)于板式橡膠支座剪切剛度的計(jì)算公式進(jìn)行計(jì)算[4]。

4 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)鋁合金材料本身質(zhì)量較輕，抵抗風(fēng)荷載的能力較弱這一特點(diǎn)，本著避免鋁合金天橋在風(fēng)荷載作用下發(fā)生上部結(jié)構(gòu)的整體傾倒，介紹了設(shè)計(jì)中可以采用的三種抗風(fēng)措施。第一種板式橡膠支座通過(guò)上下鋼板增加螺栓連接方式，適用廣泛，制作簡(jiǎn)單，且造價(jià)低廉，通過(guò)小小的改進(jìn)便可以達(dá)到很好的抗風(fēng)效果；第二種利用盆式或球式橡膠支座本身抵抗橫向力較大的特點(diǎn)，適用于較大跨徑鋁合金天橋；第三種增加抗風(fēng)裝置，可以根據(jù)需要的抵抗力進(jìn)行設(shè)計(jì)，板件厚度、是否加加勁肋和螺栓大小等均可按實(shí)際情況進(jìn)行調(diào)整，能滿足各種跨度鋁合金橋梁的抗風(fēng)需求。最后介紹了兩種常用的結(jié)構(gòu)計(jì)算軟件，分析了兩種軟件的特點(diǎn)及運(yùn)用到鋁合金天橋計(jì)算時(shí)的注意要點(diǎn)，特別提出了支座水平剛度的輸入對(duì)風(fēng)荷載水平抵抗力的計(jì)算有著關(guān)鍵的作用。