張弦梁人行橋設計

2021-12-24 07:03:56杜建成郭繼業

工程建設與設計 2021年21期

杜建成，郭繼業

（珠海市規劃設計研究院，廣東珠海519000）

1 引言

張弦梁結構由日本齋藤公男（Masao Saitoh）于1979年提出，是一種區別于傳統結構的新型大跨結構形式。張弦梁結構由剛性上弦、柔性拉索和中間撐桿組成，是一種自平衡大跨度預應力空間結構體系，也是混合結構體系發展中一個比較成功的創造。張弦梁結構體系簡單、受力明確、結構形式多樣、充分發揮了剛柔2種材料的優勢，并且制造、運輸、施工簡捷方便，具有良好的應用前景。鑒于此，某項目人行橋采用張弦梁結構體系。

2 結構設計

張弦梁總體布置見圖1。上弦采用跨度54.71 m的單箱三室鋼箱梁，梁高0.8 m，寬3 m；拉索采用直徑96 mm高釩密閉索，兩端錨固在主梁上，線形為懸鏈線，跨度50.5 m，最大垂度為4.2 m，垂跨比1/12；撐桿采用P168 mm×8 mm、P152 mm×6 mm鋼管，全橋共設9道V形撐桿，撐桿間距5.471 m，從跨中向聯端，V形撐桿夾角由21°漸變到63°。

圖1 張弦梁總體布置圖

設計采用的主要材料如下：

1）鋼箱梁、撐桿：Q355C鋼材，彈性模量E=206 GPa；

2）拉索：鋅-5%鋁-稀土合金鍍層密閉高釩索，其抗拉強度標準值fpk=1 570 MPa，彈性模量Ep=160 GPa；

3）支座：GQZ抗震球鉸鋼支座；

4）阻尼器：電渦流調諧質量阻尼器，單個阻尼器有效運動質量為800 kg。

3 依據的規范

1）CJJ 11—2011《城市橋梁設計規范》（2019年版）；

2）JTG D64—2015《公路鋼結構橋梁設計規范》；

3）JTG D60—2015《公路橋涵設計通用規范》；

4）CJJ 69—1995《城市人行天橋與人行地道技術規范》等。

4 結構驗算

4.1 計算模型

采用Midas Civil 2020軟件進行結構分析，鋼箱梁、撐桿采用梁單元模擬，拉索采用桁架單元模擬，按結構實際支座情況模擬邊界條件，計算模型見圖2。

圖2 計算模型

4.2 計算荷載

1）鋼材容重取78.5 kN/m3；

2）二期荷載按實計算；

3）人群荷載按CJJ 11—2011《城市橋梁設計規范》（2019年版）取值；

4）考慮整體升降溫25℃。

4.3 強度驗算

根據各荷載工況計算結果，鋼箱梁、撐桿等構件正應力最大值為182.6 MPa（＜270 MPa），強度滿足鋼結構規范要求（見圖3）。拉索正應力最大值為448.4 MPa，綜合系數γs=1 570/448.4=3.5＞3.0，安全系數滿足要求（見圖4）。

圖3 鋼箱梁、撐桿最大正應力（單位：MPa）

圖4 拉索最大正應力（單位：MPa）

4.4 剛度驗算

在人群荷載作用下，鋼箱梁主梁撓度為88 mm＜54 710/600=91 mm，剛度滿足鋼結構規范要求（見圖5）。

圖5 人群作用下撓度

4.5 穩定驗算

根據計算結果，各階屈曲模態臨界荷載系數均大于4，其中第1階屈曲模態臨界荷載系數為15.38＞4，穩定均滿足要求（見圖6）。

圖6 屈曲模態

4.6 舒適度驗算

4.6.1 結構動力特性

根據規范要求，當天橋結構豎向固有頻率大于3 Hz，橫向固有頻率大于1.2 Hz，可不進行人致振動舒適度驗算；當天橋結構豎向固有頻率小于3 Hz，橫向固有頻率小于1.2 Hz，應進行人致振動舒適度驗算。對于豎向舒適度，應分別驗算頻率處于1.25~3 Hz的豎向模態；對于橫向舒適度，應分別驗算頻率處于0.5~1.2 Hz的橫向模態。

結構第1階、第4階模態振型見圖7~圖8。模態1振型為梁豎向振動，頻率為1.732 Hz，位于敏感頻率范圍內，應進行人致振動舒適度驗算；模態2振型為梁橫向振動，頻率為1.913 Hz，不在敏感頻率范圍內，可不進行人致振動舒適度驗算；模態3振型為梁豎向振動，頻率為2.923 Hz，位于敏感頻率范圍內，應進行人致振動舒適度驗算；模態4振型為梁豎向振動，頻率為6.534 Hz，不在敏感頻率范圍內，可不進行人致振動舒適度驗算。模態5及更高階模態的頻率均大于3 Hz，可不進行人致振動舒適度驗算。