大跨度无节点板钢桁架拱人行天桥设计分析

　　0 工程背景

　　广汕路(沙河立交至龙洞段)工程位于广州市东北部，分属天河区及萝岗区，现状交通不连续，需进行快速化改造，将现有的灯控人行过街横道取消，相应地修建人行天桥。其中华南植物园大门附近的人行天桥位于广汕路K05+073米里程处，天桥西侧为港鼎酒店门前空地，东侧为华南植物园大门右侧，天桥的设置解决了附近居民及进出植物园游客的过街需求。由于天桥横跨的道路下方有4条地铁六号线的轨道线路，无法在中央绿化带立墩，因此需采用跨越能力较大的结构形式一跨跨越道路。钢桁架拱由于整体重量轻、吊装方便、跨越能力强、外观线型流畅，因此本次设计时确定采用钢桁架拱。

　　1 结构总体布置

　　天桥主桥采用下承式简支钢桁架拱的结构形式，下弦杆外挂花槽。钢桁架拱整体外形通透，杆件简洁，立体空间感强，新颖美观，用钢量少，作为城市人行天桥，为城市建设增加了不少美感和特色。钢桁架拱跨度为50m，矢高6.0m，矢跨比1/8.33，横向由两片钢桁架组成。

　　1.1 上下弦杆

　　上弦杆拱轴线为R=57.676米的圆弧线，采用500×300×20mm的箱形截面;下弦杆不设纵坡，采用600×300×16mm的箱形截面，端部截面加高至800×300×16mm的箱形截面。

　　1.2 腹杆

　　腹杆采用300×200×14mm的箱形截面，均为斜腹杆。

　　1.3 横梁及风撑

　　横梁采用250×250×10mm的箱形截面，间距1.7~2.0米，横梁与下弦杆垂直，钢横梁的设置，既起到横向联系作用，又起到提供桥面支撑功能。风撑采用HM300x200的H型钢，外形轻巧，桥面人行视野通透。

　　1.4 节点

　　节点设计是钢桁架拱设计的关键，目前节点有三种形式[1]：(1)设置节点板;(2)不设节点板，但外贴节点加强板;(3)不设节点板，但节点处箱梁截面的内外侧板采用整体钢板切割而成。三种节点形式各有优缺点：第一种焊接难度小，能够保证焊接质量，但也由于设置了节点板而使得美观性较差，且对于箱型截面不适合;第二种方式焊接符合受力要求，且不影响美观;第三种节点形式可以理解为在第二种方式的基础上，将节点加强板和弦杆及腹杆的外侧板合成一块板，采用整体板切割而成，这种结构能够保证节点处节点的整体性，弦杆和腹杆相交处没有焊缝。本设计采用了第三种节点形式。钢桁架拱人行天桥立面、断面布置如图1和图2所示，单位除标高以m计外，其余均以cm计。

　　2 天桥结构计算

　　2.1 静力计算

　　利用有限元软件Midas/civil 2006建立空间梁单元模型，全桥划分264个单元，结构计算简图如图3所示。在承载能力状态下，桁架最大压应力为109 MPa，最大拉应力为82MPa，小于Q345c钢材应力设计容许值210 MPa。人群荷载作用下的最大竖向挠度为11.0mm，小于规范挠度容许值L/800[4]=50000/800=62.5mm。但恒载+活载作用下挠度值为34.8mm，大于L/1600=50000/1600=31.3 mm，需设置预拱度，预拱度值为恒载+人群荷载作用下挠度值。

　　2.2 动力计算

　　采用空间梁单元计算，得到天桥第一阶竖弯频率为3.33Hz，满足天桥竖向自振频率不应小于3Hz的要求。

　　2.3 屈曲分析

　　第一类稳定(弹性屈曲)分析求得的第一阶段荷载安全系数为8.78，满足拱桥整体稳定系数按弹性理论计算不小于4.0的要求，此时失稳形式为拱肋的面外失稳。天桥第一阶屈曲模态如图5所示。

　　2.4 节点细部分析

　　2.4.1有限元模型的建立

　　根据结构的受力特点，对钢桁架拱最不利的两个节点，即拱脚E1和拱顶E7节点进行细部分析。分析时利用Midas/FEA有限元软件建立节点的实体模型，单元采用4节点四面体单元，网格划分采用自动实体网格划分。E1节点共计7806个单元，E7节点共计18532个单元。分析结果表明，E1节点的最大范梅赛斯应力为107Mpa，E7的最大范梅赛斯应力为128Mpa，均满足使用要求。节点应力图如图8和图9所示。

　　3.结论与建议

　　(1)对于大跨度人行天桥选用钢桁架拱的结构形式，可以充分发挥拱桥竖向刚度较梁式桥大的优势，实现规范[2]要求的天桥上部结构竖向自振频率不应小于3Hz的要求，且单位用钢量也较为经济。

　　(2)大跨度钢桁架拱选用箱形截面构件，截面的抗弯和抗扭性能高，全桥的整体稳定性也得到大幅度的提高。

　　(3)采用无节点板的钢桁架拱设计，拱桥外立面线型较为流畅，但节点处交汇杆件较多，节点受力复杂，需对节点进行细部分析，且施工时对节点板的切割要求较高。

　　(4)由于理论计算时未能考虑焊接节点时产生的残余应力，实际应用时应适当降低由理论分析计算得到的节点承载力值。

　　参考文献：

　　[1] 官润荣. 箱形截面杆件无节点板全焊钢桁架人行天桥设计[J]. 城市道桥与防洪，2009,(8)：68-71.

　　[2] 城市人行天桥与人行地道技术规范. CJJ69-91. 北京：中国建筑工业出版社，1996

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文章名称： 大跨度无节点板钢桁架拱人行天桥设计分析

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