沈耀海

(中鐵第五勘察設(shè)計院集團(tuán)有限公司 橋梁設(shè)計院，北京 102600)

1 工程概述

本工程屬于改建鐵路包蘭線增建第二線某新建車站的一部分工程，跨越既有3股道和新建3股道并與鐵路線路正交.站臺2和站臺3的中間位置在天橋兩側(cè)分別設(shè)有梯道、自動扶梯和電梯，其中梯道和自動扶梯分別通過與天橋連接的牛腿支撐搭接在天橋上，不再另設(shè)墩.主橋采用跨度(26.7+31.5) m的連續(xù)梁，并在遠(yuǎn)離站房側(cè)設(shè)長度為3.5 m的懸臂端，全長為62.1 m，橋面寬度為8.4 m.橋梁靠近站房一端通過板式橡膠支座與站房預(yù)留牛腿直接連接，中墩和邊墩分別設(shè)在站臺2和站臺3的中間，如圖1所示.

圖1 人行天橋平面圖Fig.1 Plane graph of pedestrian bridge

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1 結(jié)構(gòu)選型

由于進(jìn)站天橋橫跨既有3股道，為了使既有線正常運營、減少上部結(jié)構(gòu)施工對鐵路行車安全的影響，梁體宜采用工廠分段制造、現(xiàn)場吊裝、工地拼焊的施工方式.根據(jù)橋下鐵路凈空要求，梁底至軌面距離大于8.0 m，而站房與軌面的高差為9.23 m，由此得知天橋梁高不得大于1.23 m，使其截面非?！氨馄健?無論是施工要求還是截面要求，混凝土截面已經(jīng)不再適用.與此同時，鋼結(jié)構(gòu)具有強(qiáng)度高、塑性韌性好、抗震性能好以及便于加工、運輸、組裝等一系列的優(yōu)點，被廣泛應(yīng)用于各類人行天橋的設(shè)計中[1].本設(shè)計中天橋的主梁擬采用鋼結(jié)構(gòu)箱型截面.

人行天橋主橋鋼箱梁等主要受力構(gòu)件采用Q345D鋼材，次要構(gòu)件及附屬結(jié)構(gòu)采用Q235B鋼材.鋼箱梁截面設(shè)計為單箱雙室直腹板兩側(cè)加懸臂梁的形式，見圖2.鋼箱梁全長為62.1 m，梁高1.2 m，橋面寬8.4 m，底板外緣寬6.1 m，頂?shù)装灏搴駷?4 mm，腹板及支點隔板板厚為12 mm.為方便檢修安裝，支點隔板設(shè)有橢圓形進(jìn)人洞.頂板、底板、腹板及懸臂板均設(shè)置水平和縱向加勁肋，厚度均為10 mm.

圖2 鋼箱梁標(biāo)準(zhǔn)斷面圖Fig.2 The standard section of steel box girder

由于天橋兩側(cè)梯道和自動扶梯均直接搭接在鋼梁上，可在箱梁兩側(cè)腹板上焊接箱型牛腿進(jìn)行連接.此時，鋼箱梁頂板應(yīng)在相應(yīng)位置開豁口取消懸臂端，并在箱梁內(nèi)側(cè)設(shè)置加勁肋來分散梯道和自動扶梯傳來的集中荷載.

為了盡量減少橋墩及基礎(chǔ)施工對既有線運營的影響并考慮到施工的方便，基礎(chǔ)采用直徑1.2 m的鉆孔灌注樁，墩柱采用直徑1 m的鋼管混凝土雙柱式橋墩，其鋼管外徑為1.0 m，壁厚為14 mm，內(nèi)灌C40混凝土.

2.2 建模與計算

由于進(jìn)站天橋結(jié)構(gòu)的特殊性，結(jié)構(gòu)設(shè)計可參照《鐵路橋涵設(shè)計基本規(guī)范》(TB 10002.1—2005)[2]、《城市人行天橋與人行地道技術(shù)規(guī)范》(CJJ 69—1995)[3]和《鐵路橋梁鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》(TB 10002.2—2005)[4]等設(shè)計規(guī)范進(jìn)行.作用于鋼箱梁的恒載包括結(jié)構(gòu)自重、基礎(chǔ)沉降影響及橋面二期荷載，其中，橋面二期荷載包括橋面鋪裝、人行道欄桿、搭接于箱梁上的梯道及自動扶梯作用力等重量.活載為人群荷載，另外還要考慮風(fēng)荷載、系統(tǒng)升降溫以及地震作用.

在對橋梁構(gòu)件進(jìn)行檢算時，荷載組合仍可按照TB 10002.1—2005《鐵路橋涵設(shè)計基本規(guī)范》的3種組合進(jìn)行，其組合方式為：

(1)主力：自重+二期恒載+支座不均勻沉降+人群荷載.

(2)主力+附加力：

①主力+溫度變化+墩身縱向風(fēng)力;

②主力+溫度變化+墩身橫向風(fēng)力+梁體橫向風(fēng)力.

(3)主力+特殊荷載：

①自重+二期恒載+人群荷載+縱向地震作用;

②自重+二期恒載+人群荷載+橫向地震作用.

全橋采用空間有限元軟件Midas Civil 計算，按梁單元建模，共離散為112個單元(如圖3所示).其中，墩底約束效按固結(jié)考慮，主梁與中墩固結(jié)，與邊墩采用豎向支撐模擬板式橡膠支座.設(shè)計橋梁地區(qū)抗震設(shè)防烈度為8度，地震動峰值加速度為0.2 g，地震動反應(yīng)譜特征周期Tg=0.35 s，通過反應(yīng)譜分析進(jìn)行抗震計算，可得到結(jié)構(gòu)的縱、橫向地震作用數(shù)值.

另外，鋼箱梁面在荷載作用下會產(chǎn)生剪力滯效應(yīng)，可依據(jù)相關(guān)規(guī)定對鋼箱梁翼板進(jìn)行有效寬度折減.本設(shè)計參考英國標(biāo)準(zhǔn)《鋼橋、混凝土橋及結(jié)合橋》(BS 5400)和日本標(biāo)準(zhǔn)《道路橋示方書·同解說(Ⅱ鋼橋篇)》，分別計算了箱梁不同位置如頂板翼緣內(nèi)側(cè)、底板翼緣內(nèi)側(cè)及頂板翼緣外側(cè)的有效寬度，并取其中較小者作為最終的有效寬度.

圖3 人行天橋有限元模型Fig.3 The finite element model of pedestrian bridge

通過分析，可知鋼箱梁在各種荷載工況下的應(yīng)力水平均滿足規(guī)范要求.其中，主梁上下緣的最大拉/壓應(yīng)力如表1所示，均位于主梁與中墩連接處截面，此處亦是天橋兩側(cè)梯道和自動扶梯集中荷載作用處，所以有必要在此位置的箱梁內(nèi)側(cè)設(shè)置更多加勁肋來分散應(yīng)力.

表1 不同荷載組合下主梁最大應(yīng)力表Tab.1 The maximum stress in different load combination MPa

2.3 豎向自振頻率分析

為了避免進(jìn)站乘客過橋時產(chǎn)生共振引起不安全感，《城市人行天橋與人行地道技術(shù)規(guī)范》(CJJ 69—1995)中規(guī)定人行天橋的豎向自振頻率不小于3.0 Hz[3].仍然采用Midas Civil軟件對結(jié)構(gòu)進(jìn)行自振模態(tài)分析，最后得出結(jié)構(gòu)的前三階自振模態(tài)頻率、周期與振型特點，見表2.由表2可以看出，第三階振型為豎向彎曲，其自振頻率為3.144 Hz，滿足規(guī)范的要求.

表2 人行天橋結(jié)構(gòu)前三階自振模態(tài)頻率、周期與振型特點Tab.2 The top three frequencies, periods and the mode of vibrations of pedestrian bridge

分析可知，豎向自振頻率最大值出現(xiàn)在主梁31.5 m梁段的跨中，假如將中墩與主梁的連接方式改為板式橡膠支座，此處的豎向自振頻率則變?yōu)?.936 Hz，不再滿足規(guī)范要求，所以豎向自振頻率為本天橋設(shè)計的控制條件.

根據(jù)以往的設(shè)計經(jīng)驗，在豎向自振頻率不滿足要求的時候，通過加大梁高可以有效提高結(jié)構(gòu)的豎向自振頻率，但是本設(shè)計受鐵路凈空條件的限制，加大梁高無法實現(xiàn).已知影響天橋豎向自振頻率的主要因素是跨中截面的綜合剛度，如果將中墩與梁體固結(jié)就可以提高截面剛度，進(jìn)而達(dá)到提高結(jié)構(gòu)豎向自振頻率的目的.在中墩與主梁固結(jié)實際施工時，可將墩柱頂板與鋼梁底板焊接，分別在連接處墩柱和箱梁內(nèi)焊接一定數(shù)目的鉤筋和剪力釘并澆注混凝土進(jìn)行加強(qiáng).

2.4 安裝設(shè)計

在架設(shè)鋼箱梁時，可采用在工廠分段預(yù)制焊接完成后再運送至現(xiàn)場吊裝對接的施工方式，這樣就可以盡量減少橋梁施工對既有鐵路的影響，充分發(fā)揮鋼箱梁施工方面的優(yōu)勢.為便于拼裝拆卸，臨時支墩采用碗扣式腳手架，并對臨時支架地基進(jìn)行相應(yīng)的處理.為確保臨時支墩不侵入既有鐵路限界，可將整片鋼梁分為4個梁段吊裝，從站房側(cè)開始，每段長度依次為12.2 m、18.55 m、19.95 m和11.4 m，其中最大吊裝重量為55 t.在各梁段吊裝就位并現(xiàn)場焊接完成構(gòu)成主體后，方可繼續(xù)進(jìn)行梯道及其他附屬結(jié)構(gòu)的施工.

3 結(jié)語

(1)鋼結(jié)構(gòu)箱梁具有高強(qiáng)度、跨越能力強(qiáng)以及便于加工組裝等一系列的優(yōu)點，在設(shè)計、施工條件受限制較多的情況下仍能滿足要求，在各類人行天橋的應(yīng)用中優(yōu)勢非常明顯；

(2)對于大跨度的鋼箱梁人行天橋結(jié)構(gòu)設(shè)計來說，豎向自振周期往往成為主要控制因素，在不加高梁高的情況下，將中墩與箱梁固結(jié)，可以有效地提高箱梁的截面剛度，滿足豎向自振周期的要求.

參考文獻(xiàn)：

[1] 孫少軍.武昌火車站進(jìn)站天橋鋼箱梁結(jié)構(gòu)設(shè)計[J].中華建設(shè),2007(6):46-47.

[2] TB 10002.1—2005.鐵路橋涵設(shè)計基本規(guī)范[S].2005.

[3] CJJ 69—1995.城市人行天橋與人行地道技術(shù)規(guī)范[S].1999.

[4] TB 10002.2—2005.鐵路橋梁鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范[S].2005.