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        三角形截面鋼管桁架人行橋設(shè)計(jì)

        2014-11-17 23:40:53朱高波童金虎
        科技創(chuàng)新與應(yīng)用 2014年33期
        關(guān)鍵詞:橋梁設(shè)計(jì)振動

        朱高波 童金虎

        摘 要:文章提出了一種改良的鋼桁架橋型,較好地解決了小寬跨比人行橋普遍存在的結(jié)構(gòu)粗笨、單位造價(jià)偏高、易發(fā)生人致振動等問題。該橋主橋?yàn)楹喼ЫY(jié)構(gòu),計(jì)算跨徑68.4m,橋面全寬5m,鋼結(jié)構(gòu)總重約137.7噸。文章介紹了橋梁的設(shè)計(jì)思路,并對結(jié)構(gòu)進(jìn)行了靜力、動力、穩(wěn)定性等方面的計(jì)算分析,驗(yàn)證了該結(jié)構(gòu)的合理性及安全性,可為同類橋梁設(shè)計(jì)提供參考。

        關(guān)鍵詞:人行橋;橋梁設(shè)計(jì);鋼管桁架;振動

        引言

        隨著橋梁科技水平的不斷發(fā)展,世界范圍內(nèi)的人行橋建設(shè)發(fā)展迅速,各種造型新穎、結(jié)構(gòu)輕盈的人行橋如雨后春筍般涌現(xiàn)。由于大多數(shù)人行橋跨徑較小,橋梁剛度較大,因此人致振動問題并不突出。但對于較大跨徑的人行橋,人致振動的影響將變得不可忽視。2000年英國千禧橋在開通當(dāng)日發(fā)生的過渡橫向振動事件,在世界范圍內(nèi)引起了橋梁工程師對人行橋人致振動問題的廣泛關(guān)注。在我國,人行橋振動導(dǎo)致行人不適的案例也時(shí)有發(fā)生。關(guān)于人行橋的振動問題,我國相關(guān)規(guī)范有“天橋上部結(jié)構(gòu)豎向自振頻率不應(yīng)小于3Hz”的規(guī)定,但大跨徑人行橋,一般較難符合該要求。文章結(jié)合工程實(shí)際,參考?xì)W洲規(guī)范,提出了一種適用于較大跨徑的改良鋼桁架人行橋,并對結(jié)構(gòu)進(jìn)行了計(jì)算驗(yàn)證。

        1 概述

        該橋由計(jì)算跨徑為68.4m的簡支鋼桁架主橋及兩側(cè)坡比為1:8的推行坡道引橋組成,橋面全寬5m,橋梁全長164.83m。橋型總體布置如圖1、圖2所示。

        圖1 橋型總體布置圖(立面) 圖2 橫斷面圖

        主橋桁架的橫斷面呈三角形,如圖3所示。該結(jié)構(gòu)是在常規(guī)下承式鋼桁架的基礎(chǔ)上將兩片主桁的上弦桿退化成一根上弦桿,取消了上平縱聯(lián),并將下弦桿間距適當(dāng)拉開,在增強(qiáng)了桁架橫向剛度的同時(shí)使橋面凈空滿足設(shè)計(jì)要求。相對于常規(guī)桁架,該結(jié)構(gòu)雖由于拉寬下弦桿間距而少量增加了橋面系橫梁的用鋼量,但由于取消了整個(gè)上平聯(lián)構(gòu)造,仍然從總體上降低了結(jié)構(gòu)的用鋼量。該結(jié)構(gòu)在縱向及橫向均采用穩(wěn)定的“三角形”構(gòu)造,造型簡約,力學(xué)概念清晰。

        圖3 橋型效果圖

        2 主橋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

        該橋按人行橋設(shè)計(jì),設(shè)計(jì)荷載3.5kN/m2。主橋桁架由:上弦桿、下弦桿、腹桿、橫梁、縱梁、下弦平面拉桿等組成,桁架計(jì)算高度為8.2m,寬度為8.2m,縱向節(jié)點(diǎn)間距7.6m,主橋計(jì)算跨徑為68.4m。上、下弦桿內(nèi)灌填混凝土以提高橋梁整體剛度及鋼管節(jié)點(diǎn)承載力,管內(nèi)壁設(shè)抗剪連接件確保鋼-混結(jié)合質(zhì)量。橋面板分塊預(yù)制、吊裝,后澆濕接縫與桁架縱梁形成整體,結(jié)構(gòu)厚度為12cm。橋面板及縱梁在橫橋向設(shè)二道斷縫,將結(jié)構(gòu)分為三段,以減小橋面板混凝土收縮、徐變及日照溫度效應(yīng)對結(jié)構(gòu)的影響。主橋桁架主要構(gòu)件均采用Q345C材質(zhì),桁架鋼結(jié)構(gòu)總重約137.7t。構(gòu)件規(guī)格詳見表1。

        表1 鋼桁架構(gòu)件規(guī)格表

        3 結(jié)構(gòu)分析

        桁架結(jié)構(gòu)按極限狀態(tài)法進(jìn)行設(shè)計(jì)。在進(jìn)行整體靜力計(jì)算時(shí),上、下弦桿按空心鋼管截面考慮,管內(nèi)混凝土作為自重荷載加載,填充混凝土對承載能力的提升作為安全儲備;動力特性分析及穩(wěn)定性分析時(shí),考慮弦桿按鋼管混凝土截面考慮,計(jì)入混凝土的質(zhì)量及剛度。

        3.1 靜力計(jì)算

        靜力計(jì)算考慮的荷載主要有:結(jié)構(gòu)自重、人群荷載(3.5kN/m2)、梯度溫度(陽光直射部位的構(gòu)件均勻升溫度25度/降溫-12.5度)等。

        根據(jù)計(jì)算結(jié)果,各構(gòu)件在基本組合下的最大應(yīng)力均滿足規(guī)范[1]要求,詳見表2。

        表2 桁架構(gòu)件應(yīng)力水平

        注:上、下弦桿應(yīng)力驗(yàn)算部位的鋼管壁厚16mm,強(qiáng)度設(shè)計(jì)值取310N/mm2。人群荷載產(chǎn)生的撓度為17.0mmL/1600=42.8mm,應(yīng)設(shè)置預(yù)拱度。

        3.2 動力特性分析

        該橋的前6階振型及頻率如表3所示。

        表3 前6階振型及頻率

        由表3可知,第一階振型主要表現(xiàn)為橫向振動,其頻率為2.46Hz,在橫向敏感頻率0.5~1.2Hz范圍[3]之外;第三階振型主要表現(xiàn)為豎向振動,其頻率為2.75Hz,在豎向敏感頻率1.6~2.4Hz范圍[3]之外。因此,主橋桁架不需采取附加措施(如配置質(zhì)量調(diào)頻阻尼器等)既能滿足人行橋舒適性要求。

        3.3 穩(wěn)定性分析

        主橋桁架結(jié)構(gòu)輕盈,桿件細(xì)長,應(yīng)進(jìn)行桿件穩(wěn)定性驗(yàn)算。根據(jù)分析結(jié)果,第一階屈曲模態(tài)表現(xiàn)為端腹桿失穩(wěn),相對于人群荷載的穩(wěn)定性系數(shù)為21.2,滿足穩(wěn)定性使用要求[4](第一類穩(wěn)定,安全系數(shù)≥4)。

        4 結(jié)束語

        該橋是一種改良的鋼桁架橋型,該橋型結(jié)構(gòu)具有建筑高度低、單位用鋼量較小、結(jié)構(gòu)動力特性較理想等特點(diǎn),較好的解決了跨度較大而寬度較窄的人行橋普遍存在的結(jié)構(gòu)粗笨、單位造價(jià)偏高、易發(fā)生人致振動等問題,體現(xiàn)了橋梁設(shè)計(jì)“安全、適用、經(jīng)濟(jì)、美觀”的原則,為同類橋梁設(shè)計(jì)提供了有益的參考。

        該橋作為鋼管桁架結(jié)構(gòu),還應(yīng)進(jìn)行鋼管節(jié)點(diǎn)承載能力及疲勞性能的驗(yàn)算[5],限于篇幅文章不再贅述。

        參考文獻(xiàn)

        [1]鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

        [2]城市人行天橋與人行地道技術(shù)規(guī)范[S].

        [3]陳政清,華旭剛.人行橋的振動與動力設(shè)計(jì)[M].北京:人民交通出版社,2009.

        [4]李國豪.橋梁結(jié)構(gòu)穩(wěn)定與振動[M].北京:中國鐵道出版社,1996.

        [5]趙熙元,等.鋼管結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2011.

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