三角形截面钢管桁架人行桥设计

摘 要：文章提出了一种改良的钢桁架桥型，较好地解决了小宽跨比人行桥普遍存在的结构粗笨、单位造价偏高、易发生人致振动等问题。该桥主桥为简支结构，计算跨径68.4m，桥面全宽5m，钢结构总重约137.7吨。文章介绍了桥梁的设计思路，并对结构进行了静力、动力、稳定性等方面的计算分析，验证了该结构的合理性及安全性，可为同类桥梁设计提供参考。

关键词：人行桥；桥梁设计；钢管桁架；振动

引言

随着桥梁科技水平的不断发展，世界范围内的人行桥建设发展迅速，各种造型新颖、结构轻盈的人行桥如雨后春笋般涌现。由于大多数人行桥跨径较小，桥梁刚度较大，因此人致振动问题并不突出。但对于较大跨径的人行桥，人致振动的影响将变得不可忽视。2000年英国千禧桥在开通当日发生的过渡横向振动事件，在世界范围内引起了桥梁工程师对人行桥人致振动问题的广泛关注。在我国，人行桥振动导致行人不适的案例也时有发生。关于人行桥的振动问题，我国相关规范有“天桥上部结构竖向自振频率不应小于3Hz”的规定，但大跨径人行桥，一般较难符合该要求。文章结合工程实际，参考欧洲规范，提出了一种适用于较大跨径的改良钢桁架人行桥，并对结构进行了计算验证。

1 概述

该桥由计算跨径为68.4m的简支钢桁架主桥及两侧坡比为1：8的推行坡道引桥组成，桥面全宽5m，桥梁全长164.83m。桥型总体布置如图1、图2所示。

图1 桥型总体布置图（立面） 图2 横断面图

主桥桁架的横断面呈三角形，如图3所示。该结构是在常规下承式钢桁架的基础上将两片主桁的上弦杆退化成一根上弦杆，取消了上平纵联，并将下弦杆间距适当拉开，在增强了桁架横向刚度的同时使桥面净空满足设计要求。相对于常规桁架，该结构虽由于拉宽下弦杆间距而少量增加了桥面系横梁的用钢量，但由于取消了整个上平联构造，仍然从总体上降低了结构的用钢量。该结构在纵向及横向均采用稳定的“三角形”构造，造型简约，力学概念清晰。

图3 桥型效果图

2 主桥结构设计

该桥按人行桥设计，设计荷载3.5kN/m2。主桥桁架由：上弦杆、下弦杆、腹杆、横梁、纵梁、下弦平面拉杆等组成，桁架计算高度为8.2m，宽度为8.2m，纵向节点间距7.6m，主桥计算跨径为68.4m。上、下弦杆内灌填混凝土以提高桥梁整体刚度及钢管节点承载力，管内壁设抗剪连接件确保钢-混结合质量。桥面板分块预制、吊装，后浇湿接缝与桁架纵梁形成整体，结构厚度为12cm。桥面板及纵梁在横桥向设二道断缝，将结构分为三段，以减小桥面板混凝土收缩、徐变及日照温度效应对结构的影响。主桥桁架主要构件均采用Q345C材质，桁架钢结构总重约137.7t。构件规格详见表1。

表1 钢桁架构件规格表

3 结构分析

桁架结构按极限状态法进行设计。在进行整体静力计算时，上、下弦杆按空心钢管截面考虑，管内混凝土作为自重荷载加载，填充混凝土对承载能力的提升作为安全储备；动力特性分析及稳定性分析时，考虑弦杆按钢管混凝土截面考虑，计入混凝土的质量及刚度。

3.1 静力计算

静力计算考虑的荷载主要有：结构自重、人群荷载（3.5kN/m2）、梯度温度（阳光直射部位的构件均匀升温度25度/降温-12.5度）等。

根据计算结果，各构件在基本组合下的最大应力均满足规范[1]要求，详见表2。

表2 桁架构件应力水平

注：上、下弦杆应力验算部位的钢管壁厚16mm，强度设计值取310N/mm2。人群荷载产生的挠度为17.0mmL/1600=42.8mm，应设置预拱度。

3.2 动力特性分析

该桥的前6阶振型及频率如表3所示。

表3 前6阶振型及频率

由表3可知，第一阶振型主要表现为横向振动，其频率为2.46Hz，在横向敏感频率0.5～1.2Hz范围[3]之外；第三阶振型主要表现为竖向振动，其频率为2.75Hz，在竖向敏感频率1.6～2.4Hz范围[3]之外。因此，主桥桁架不需采取附加措施（如配置质量调频阻尼器等）既能满足人行桥舒适性要求。

3.3 稳定性分析

主桥桁架结构轻盈，杆件细长，应进行杆件稳定性验算。根据分析结果，第一阶屈曲模态表现为端腹杆失稳，相对于人群荷载的稳定性系数为21.2，满足稳定性使用要求[4]（第一类稳定，安全系数≥4）。

4 结束语

该桥是一种改良的钢桁架桥型，该桥型结构具有建筑高度低、单位用钢量较小、结构动力特性较理想等特点，较好的解决了跨度较大而宽度较窄的人行桥普遍存在的结构粗笨、单位造价偏高、易发生人致振动等问题，体现了桥梁设计“安全、适用、经济、美观”的原则，为同类桥梁设计提供了有益的参考。

该桥作为钢管桁架结构，还应进行钢管节点承载能力及疲劳性能的验算[5]，限于篇幅文章不再赘述。

参考文献

[1]钢结构设计规范[S].

[2]城市人行天桥与人行地道技术规范[S].

[3]陈政清，华旭刚.人行桥的振动与动力设计[M].北京：人民交通出版社，2009.

[4]李国豪.桥梁结构稳定与振动[M].北京：中国铁道出版社，1996.

[5]赵熙元，等.钢管结构设计[M].北京：中国建筑工业出版社，2011.