腹杆布置形式对下承式钢桁架梁人行天桥力学性能的影响

腹杆布置形式对下承式钢桁架梁人行天桥力学性能的影响

谢卫东

和海建设科技集团有限公司杭州分公司 浙江 杭州 310000

摘要:二十世纪来，随着我国对钢结构的大力推广应用，钢桁架结构凭借其自重轻、跨度大、施工方便等众多优点，被广泛用于城市人行天桥。本文以江苏省宝应县已竣工的一座下承式钢桁架梁人行天桥为研究对象，利用Midas civil进行结构分析静动力计算，并且对比了同样材料截面下柏式桁架和华伦桁架（带竖杆）两种腹杆布置形式对结构应力、挠度、竖向自振频率的影响，为以后相关的类似工程设计提供参考。

关键字：钢桁架梁桥 柏式桁架 华伦桁架（带竖杆） 挠度应力 竖向频率

0 前言

随着我国基础设施的建设推进，人口和交通拥挤的增长，已建城市主干道已经不能满足现代交通需求，为保证行人安全和交通顺畅，人行天桥在城市交通和公共建筑中不断涌现。而钢桁架桥通过若干短小构件组拼连接按照桁架受轴向力的原理形成整体，这样能够充分发挥每根构件的受力性能，同时提高了整体桥梁的跨越能力。近年来由于钢结构的大力推广，钢桁架桥在人行天桥的应用越来越多，此种桥型也成为人行桥梁选型中不可忽略的方案。

在城市人行天桥中选用钢桁架桥不仅可以适应当今快速、以人为本的需求，而且钢桁架桥建设周期短，可以保证中断交通的时间最短，同时钢桁架桥还可以为城市增添一道靓丽的风景线。著名桥梁专家邓文中院士提出一座成功的桥梁设计必须自然、简洁、新颖，并与周边环境协调。美观不是桥梁的附属品，而是桥梁设计中不可或缺的一部分。因此对于钢桁架桥的研究具有十分重要的意义。

1 工程背景

新建獐狮大桥跨越宝射河，上部结构采用单孔66.8m下承式钢桁架梁桥，计算跨径66m，高8m（上下弦杆中心净距），桥宽3.78m，宽跨比为1：17.67，高跨比为1:8.25。主桁架共计两片，由上、下弦杆、直腹杆、斜腹杆组成，腹杆采用柏氏几何布置形式。桁架腹杆节点间距6.6m。两片桁架中心间距3.52m，横向通过上、下平纵联连接整体。上、下平纵联由横撑、斜撑杆件组成。为提高桁架横向稳定性，在桥门架处设置门撑，于中横联每隔一道设置横撑，桁架梁共计用钢量为103.5t；下部结构及基础采用柱式墩身、钻孔灌注桩基础。为方便路人和自行车通过，主桥南北侧设置梯道桥。

图1 桥梁总体布置图

2 结构建模

本文采用有限元分析软件Midas civil对獐狮大桥进行建模，并同步建立了华伦桁架（带竖杆）的相同模型。獐狮大桥钢桁架均采用焊接，故采用梁单元模拟所有的钢桁架，材料采用Q345。全桥模型共划分为1052个单元。此桥采用了固定、单向、双向三种支座，边界条件用一般支撑进行简化模拟。桥面板相对较为复杂，将其简化为梁单元荷载作用于下弦杆进行模拟。建立的模型如下图所示：

图2 柏式桁架

图3 华伦桁架（带竖杆）

3 静力分析

本文在计算中考虑了恒载和各种活载情况（人群荷载3.5kN/m²，横向风压1.8kN/m²），计入了温度变化（升降温25℃），并且在参考了众多文献中的荷载组合后采用以下几种组合进行计算：

表1 荷载组合

注：[D]恒载；[L]人群荷载；[W]风载；[T1]整体升温；

[T2]整体降温

在有限元软件中施加荷载后提取结果如下表：

表2 杆件最大应力

由上表可知，计算结果均小于Q345钢的抗拉抗压强度设计值310MPa，满足规范要求；工况二、三、四应力相等，在查看结果后发现整体升降温产生的应力为0.1MPa数量级，对结构整体影响微乎其微。

在应力分析完成之后，笔者根据规范计算了人群荷载下的最大挠度：

图4 柏式桁架人群荷载下挠度图

图5 华伦桁架（带竖杆）人群荷载下挠度图

表3 人群荷载下桥梁最大挠度

由上面图表可知，计算结果均满足《城市人行天桥与人行地道技术规范》的桁架上部结构最大竖向挠度不应大于L/800（即66000/800=82.5mm）的规定；且华伦桁架（带竖杆）布置形式下的挠度值降低了3%。

4 动力分析

本文动力部分利用Midas civil中的子空间迭代法进行了结构的模态分析，也就是特征值分析。分析中充分考虑了结构自重以及铺装栏杆，并将其作用力全部转化为质量进行模拟，如下所示：

图6 柏式桁架一阶竖向振型

图7 华伦桁架（带竖杆）一阶竖向振型

表4 竖向自振频率计算结果

由上面图表可知，两种桁架形式计算结果均满足《城市人行天桥与人行地道技术规范》的天桥上部结构竖向自振频率不应小于3Hz的规定；两种形式下的一阶竖向振型均表现为对称竖弯；且华伦桁架（带竖杆）布置形式下一阶竖向频率提高了2%，说明华伦桁架（带竖杆）形式下的安全性能储备较高。

5 结论

通过上述分析可以得到獐狮大桥的结构尺寸拟定基本合理，静动力分析结果满足规范要求，可为以后的类似桥梁设计提供参考；同时也可以得出柏式桁架和华伦桁架（带竖杆）两种布置形式下相同其余参数的钢桁架桥静动力分析结果非常接近，在实际的工程方案设计制定时可以从周边环境协调和节点板的受力性能、施工工艺等方面再进行分析考虑，选取最恰当的方案。

参考文献

1. CJJ69-95 城市人行天桥与人行地道技术规范[S].

2. JTG D60-2015 公路桥涵设计通用规范[S].

3. JTG 3362-2018 公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范[S].

4. GB50017-2017 钢结构设计标准[S]

5. 徐君兰，孙淑红.钢桥[M].

6. 程斌,吴斌暄,庄冬利,等.大跨度中承式钢桁架拱桥初步设计的体系优化[J].公路工程,2007,(6).

7. 张天申,杨光,王元清,等.某钢桁架人行天桥现场检测与安全性评定[J].沈阳建筑大学学报（自然科学版）,2013,(3).477-483.