人行天桥的钢结构设计浅析

摘要：结合柳州市龙潭公园新建人行景观桥工程，介绍钢结构人行天桥的设计，结构计算，总结了人行天桥的设计经验以供同类工程参考。

关键词：人行桥；钢结构；桁架；自振频率

1. 工程简介

柳州市龙潭公园景观桥是为纪念柳州市与美国的辛辛那提市结为友好城市20周年而兴建，该桥是以辛辛那提市的一座钢拱桥为蓝本按一定比例微缩建成的，桥长30余米，上部结构采用角钢钢结构型式，设计采用工厂制作，再运送到现场拼装栓焊的施工方法。

2. 景观桥的钢结构设计特点

景观桥设计为6.0m+24.14m+6m三孔简支结构，中承式钢桁架，受力杆件采用Q235角钢，桥面净宽2.5m，桥面板为预制钢筋砼板，桥面铺装采用4cm中粒式沥青混凝土，桥面结构层总厚度为12cm。

结构的内力分析计算采用Midas Civil2006软件进行，取一跨24m简支钢桁架建立计算模型，每1.5m一节，共16节，节间采用栓焊连接。建模时，主桁上、下弦杆，横联上、下弦杆，上纵梁模拟为梁单元，梁端需要释放约束，其余杆件模拟为桁架单元。

景观桥的桁架自重、二期恒载转换为Z方向质量，参与振型计算天桥竖向振动频率。

3. 景观桥的结构计算

3.1 设计荷载

（1）活载：人群荷载：5kPa。

（2）恒载：桁架自重，二期恒载：桥面结构重4 kN/m2。

3.2荷载组合

组合1：桁架自重（×1.2）+二恒（×1.2）+活载（×1.4）；

组合2：桁架自重（×1.0）+二恒（×1.0）+活载（×1.0）。

3.3结构计算结果

结构的内力、应力分析计算采用Midas Civil2006软件，位移、杆件稳定性验算均满足规范要求，其中桥梁竖向自振频率: f=4.45Hz>3.0 Hz，满足规范要求。

3.5节点焊接计算

根据《公路桥涵钢结构及木结构设计规范》要求，节点焊缝采用容许应力法计算，节点板厚度采用10mm，焊条采用E43，手工焊，母材为Q235钢材，采用三面围焊形式，其轴向弯曲应力为140MPa，剪应力为85MPa，根据《公路桥涵钢结构及木结构设计规范》第1.2.8条，角焊缝承受拉力的应力值为 ，承受剪力的应力值为 。

3.5.1 主桁竖杆

杆件截面为L100×10角钢，轴向力 ，焊脚尺寸最小值为： ，焊脚尺寸最大值为： ，取焊脚尺寸 ，则，直角角焊缝的计算厚度： ，正面焊缝所承担的轴心力： ， ，侧面焊缝长度按构造要求设置，（不满足构造要求），实际取肢背、肢尖侧面焊缝的长度为70mm。

3.5.2 主桁斜杆

杆件截面为L125×12角钢， ，计算得焊脚尺寸最小值为4.7mm,焊脚尺寸最大值为12mm,取焊脚尺寸 ，则，直角角焊缝的计算厚度： ，正面焊缝所承担的轴心力： ,侧面焊缝所承担的轴心力： ,杆件为等边角钢，肢背和肢尖的焊缝按0.7和0.3分配，肢背焊缝长度：，肢尖焊缝长度：

侧面焊缝长度：（不满足构造要求），实际取肢背、肢尖侧面焊缝的长度为70mm。

3.5.3 横联斜杆

杆件截面为L80×10角钢， ，计算得焊脚尺寸最小值为4.7mm,焊脚尺寸最大值为12mm,取焊脚尺寸 ，则，直角角焊缝的计算厚度： ，正面焊缝所承担的轴心力： ， ，

所以，侧面焊缝长度按构造要求取值，肢背、肢尖侧面焊缝的长度取 。

3.5.4 横联竖杆

横联竖杆为零杆，焊缝尺寸按构造要求设置。

3.6 节点高强度螺栓连接计算

连接螺栓采用10.9级的M22高强度摩擦型螺栓，一个高强度螺栓的预拉力为：P=190kN，连接板为Q235钢，厚度10mm，在连接处构件接触面采用喷砂处理，摩擦面的抗滑移系数， ，在抗剪连接中，每个高强度螺栓的容许承载力为：

4.景观桥的振动研究

4.1人行天桥产生振动的原因分析

人行天桥产生振动的原因有两方面，一种是通行行人对天桥振动，另一种是地面通行车辆对天桥振动。通过对人行天桥产生振动的原因分析，并通过动力实测，判断该景观桥是否符合理论模型分析设计的要求。

4.1.1通行行人对天桥振动

由于通行行人在行走时是随着重心移动的，对天桥桥面有一种周期性的的纵向和横向的动荷载（重心呈z字形左右晃动）。通行行人较多时，对天桥桥面的动荷载将会增大，通过数据分析人与人行天桥结构之间的相互作用是否明显以引起振动响应的大小。

4.1.2 地面通行车辆对天桥振动

在人行天桥支柱底部放传感器，通过实测数据分析地面车辆对天桥结构的侧向振动和竖向振动影响。

4.2动力测试

人行天桥的振动形式有：竖向振动、横桥向振动及顺桥向振动。通过测出该桥随机振动，可以检测该桥是否满足设计要求与实际应用。检测桥的振动的方法是动力测试，具体操作是将传感器分别布置在所需要检测的地方，并分别记录其频率，频率一般都是500Hz。除此之外，还需实地考察，并根据群众反映，必要时增加数字测量监控点的密度和传感器的布置密度，这样能更精确查找振动的原因。

通过一定的方法计算出人行天桥的自振频率和最大位移，可以分析人行天桥是否容易引起桥面的共振以及影响行人行走的舒适度。一般采用的是单模态识别法(SDOFI)，该方法是将环境激励作为假想输入。正常人行走频率是1．8―2．5Hz，满足《城市人行天桥与人行地道技术规范》中有“第1振型竖向自振频率大于3Hz”的规定，这样就不会产生较大的振动。

4.3 定量分析

根据《城市人行天桥与人行地道技术规范》的要求，人行天桥上部结构的竖向自振频率大于3Hz。其中结构最大竖向加速度容许值，其计算公式（欧洲规范与英国规范BSI 1978通过大量试验得出）是alim=0.5√∫0 ，∫0就是结构基本自振频率，该景观桥的自振频率是 f=4.45Hz。根据该公式可以求出结构最大竖向加速度容许值是alim=0.5√∫0=0.5×√4.45=1.0547512 m/s2，把该结果与实测值比较大小。而结构最大竖向加速度的计算公式（用英国规范BS 5400_2 简化公式）是a=4π2∫02ysκψ（ys是指在跨中截面施加0．7kN集中静荷载得到的跨中竖向位移，计算可得ys , ψ是结构动力响应系数，按照有关钢结构人行天桥的规范近似取ψ=13.5，k指的是结构构造系数，对于单跨梁，取k=1），根据该公式算出a。在结构设计方面，用结构最大竖向加速度容许值与结构最大竖向加速度相比较，可以预测结构可能的振动水平。另外，通过有限元模拟可能的振动情况可预测桥结构的模态、振型以及振动水平，并建立有限元模型。

总结:通过对人行天桥的钢结构进行分析以及模型图计算，分析该人行天桥是否符合设计要求以及相关规定，并进一步的深入研究，总结了人行天桥的设计经验。随着世界人口的增多，以及交通的日益紧张，人行天桥将会更加广泛的应用，而柳州市龙潭公园景观桥的设计与施工，为类似工程的实施提供借鉴。

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