■王志福

(山西省交通新技術(shù)發(fā)展有限公司， 太原 030012)

近年來， 隨著我國城市人行天橋的大規(guī)模發(fā)展， 城市車流與人流相互擁堵的問題得到有效解決[1]。 然而，人行天橋作為一種特殊的橋梁結(jié)構(gòu)形式，在滿足人們通行的同時(shí)，還必須保障其安全性。鋼箱梁結(jié)構(gòu)因具有承載能力強(qiáng)，施工周期短、線型優(yōu)美以及成本低等優(yōu)點(diǎn)，已成為城市人行天橋的代表性橋型之一[2-3]。

目前， 國內(nèi)外關(guān)于鋼結(jié)構(gòu)人行天橋展開了大量研究[4]，如伍臣宇[5]采用有限元軟件MIDAS 對天橋在不同荷載組合作用下進(jìn)行了模擬，分析了天橋結(jié)構(gòu)變形及受力特征，并探討了天橋自振特性，為該類天橋設(shè)計(jì)提供了依據(jù)。 袁濤等[6]基于瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析評估了附加調(diào)諧質(zhì)量阻尼器的振動(dòng)控制效果， 最后基于行人激勵(lì)下的加速度實(shí)測，驗(yàn)證了結(jié)構(gòu)良好的行人舒適度性能。 杜啟文[7]以山東省青島市某兩跨連續(xù)鋼結(jié)構(gòu)人行天橋?yàn)槔?，采用有限元軟件對其建模并進(jìn)行分析，得到結(jié)構(gòu)自振頻率和動(dòng)力響應(yīng)結(jié)果，并按該評價(jià)指標(biāo)對人行天橋進(jìn)行了舒適度評價(jià)。 曹遠(yuǎn)[8]以昆山市汽車南站鋼結(jié)構(gòu)人行天橋?yàn)槔?，采用有限元軟件分別建立梁單元與板單元模型，通過對其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、剛度及動(dòng)力特性等進(jìn)行對比分析，為相關(guān)設(shè)計(jì)計(jì)算提供一些參考。

為了進(jìn)一步研究不同組合荷載作用下單跨鋼箱梁天橋的靜力性能和穩(wěn)定安全性，本文以某鋼箱梁人行天橋?yàn)楣こ虒?shí)例，運(yùn)用有限元軟件模擬不同荷載工況的鋼箱梁天橋結(jié)構(gòu)分析模型，針對主梁豎向變形、最大應(yīng)力、最大剪應(yīng)力及穩(wěn)定系數(shù)進(jìn)行了對比分析，其結(jié)論可為類似鋼結(jié)構(gòu)人行天橋的研究和設(shè)計(jì)提供一定參考。

1 工程概括

以某單跨人行天橋?yàn)檠芯繉ο螅?該橋全長28.5 m，主梁結(jié)構(gòu)為單箱等截面鋼箱梁，采用低合金Q345B 鋼板焊接而成，梁高1.2 m，頂板厚度為12 mm，腹板厚度14 mm，底板厚度16 mm，梁頂板增設(shè)5道縱向加勁肋，厚度為12 mm，梁低板增設(shè)3 道縱向加勁肋，厚度為14 mm。 橋面全寬3.9 m，橫向布置：0.2 m 護(hù)欄+3.5 m 人行道+0.2 m 護(hù)欄， 橋面鋪裝：2.5 cm 花崗石+2 cm 環(huán)氧砂漿。下部結(jié)構(gòu)橋墩墩與主梁采用板式橡膠支座連接，墩身為C30 混凝土結(jié)構(gòu)，高度為7 m，墩身底部設(shè)有1.5 m 承重臺，樁基礎(chǔ)采用直徑為70 cm 的鉆孔灌注樁。 橋梁縱坡為2%，安全等級為Ⅰ級，使用年限為100 年。鋼箱梁橫截面設(shè)計(jì)尺寸如圖1 所示。

圖1 人行天橋主梁橫截面示意圖

2 建立模型

運(yùn)用有限元軟件MIDAS/CIVIL 建立鋼箱梁天橋結(jié)構(gòu)分析模型(圖2)，鋼箱梁采用板單元模擬，橋墩和縱向加勁肋采用梁單元模擬，橋墩與支座的連接方式采用彈性連接， 模型中單元數(shù)共計(jì)172 個(gè)、節(jié)點(diǎn)數(shù)共計(jì)196 個(gè)。

圖2 鋼箱梁天橋有限元模型

為方便分析計(jì)算， 假定縱向加勁肋和橫向肋板為截面形式，橋面鋪裝、護(hù)欄等二期荷載設(shè)置為壓力荷載進(jìn)行施加，且不考慮樁土間的相互作用。荷載作用主要考慮：(1) 恒載： 鋼材結(jié)構(gòu)自重約78.5 kN/m2，二期恒載：護(hù)欄約3.7 kN/m2+橋面鋪裝約5.3 kN/m2；(2)活載：根據(jù)《城市人行天橋與人行地道技術(shù)規(guī)范》(CJJ69-1995)規(guī)范要求，天橋人群荷載取5 kN/m2；(3)溫度荷載：根據(jù)當(dāng)?shù)貧夂颦h(huán)境，整體升溫按28℃考慮，整體降溫按-12℃考慮；(4)風(fēng)荷載：按照《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》(JDG D60-2015) 規(guī)范要求，橫向風(fēng)荷載取1 kN/m2。 計(jì)算模型中材料特性如表1 所示。

表1 Q345B 鋼及材料特征

3 不同荷載工況靜力性能及穩(wěn)定性分析

本文主要研究不同荷載作用對天橋結(jié)構(gòu)的承載力和穩(wěn)定性的影響， 在建立荷載工況時(shí)可不引入分項(xiàng)系數(shù)而直接對結(jié)構(gòu)進(jìn)行荷載組合， 不同組合荷載工況如表2 所示。

表2 不同組合荷載工況

3.1 位移對比分析

針對不同荷載工況天橋結(jié)構(gòu)主梁L/2、L/4、3L/4及墩頂截面的豎向位移值進(jìn)行對比分析，計(jì)算結(jié)果如圖3 所示。

圖3 不同荷載工況-位移變化曲線

根據(jù)圖3 可知， 不同荷載工況作用的天橋主梁豎向位移值均由梁兩端向跨中截面處不斷增大，主梁兩端墩頂處豎向位移值最小， 跨中截面處豎向位移值最大， 最大值分別為-31.63 mm、-55.16 mm、-56.22 mm 及-57.68 mm，其中天橋在結(jié)構(gòu)自重、二期恒載及人群活載的作用下豎向變形相對較大，而溫度荷載和風(fēng)荷載對天橋結(jié)構(gòu)豎向變形的影響相對較小，但不同荷載工況的天橋結(jié)構(gòu)豎向位移值均滿足 《城市人行天橋與人行地道技術(shù)規(guī)范》(CJJ69-1995)規(guī)范要求，由此說明該鋼箱梁天橋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)滿足變形要求。

3.2 應(yīng)力對比分析

針對不同荷載工況天橋結(jié)構(gòu)主梁L/2、L/4、3L/4及墩頂截面的應(yīng)力值進(jìn)行對比分析，計(jì)算結(jié)果如圖4 所示。

圖4 不同荷載工況-應(yīng)力值變化曲線

根據(jù)圖4 可知， 不同荷載工況作用的天橋主梁關(guān)鍵截面應(yīng)力值變化趨勢基本一致， 靠近主梁兩端墩頂處應(yīng)力值較小，靠近跨中截面處應(yīng)力值較大。 荷載工況一至工況四的最大應(yīng)力值分別為-41.32 MPa、-71.92 MPa、-73.54 MPa 及-76.03 MPa， 其中荷載工況二相對于工況一主梁最大應(yīng)力值增長了約30.6 MPa，而荷載工況三、四的主梁最大應(yīng)力值與荷載工況二的最大應(yīng)力值相差不大，說明天橋在結(jié)構(gòu)自重、 二期恒載及人群活載作用對主梁應(yīng)力影響較大， 而溫度荷載和風(fēng)荷載對主梁應(yīng)力的影響相對較小。 根據(jù)《城市人行天橋與人行地道技術(shù)規(guī)范》(CJJ69-1995)規(guī)范要求，鋼箱梁最大應(yīng)力值應(yīng)小于295 MPa，而上述4種荷載工況的最大應(yīng)力值為-76.03 MPa，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于規(guī)范要求，由此表明該鋼箱梁天橋最大應(yīng)力滿足設(shè)計(jì)要求。

3.3 剪力對比分析

針對不同荷載工況天橋結(jié)構(gòu)主梁L/2、L/4、3L/4及墩頂截面的剪力值進(jìn)行對比分析，計(jì)算結(jié)果如圖5 所示。

圖5 不同荷載工況-剪力值變化曲線

根據(jù)圖5 可知，不同荷載工況作用的天橋主梁各關(guān)鍵截面剪力值變化趨勢基本一致，其中跨中截面的剪力值變化趨勢相對較小，靠近主梁兩端墩頂處剪力值較大， 靠近L/4 和3L/4 截面處的剪力值較小。 荷載工況一至工況四的最大剪力值分別為30.13 MPa、41.21 MPa、42.97 MPa 及44.31 MPa，其中荷載工況二相對于工況一主梁最大應(yīng)力值增長了約11.08 MPa，而荷載工況三、四的主梁最大應(yīng)力值與荷載工況二的最大應(yīng)力值相差不大，說明天橋在結(jié)構(gòu)自重、二期恒載及人群活載作用對主梁剪應(yīng)力力影響較大。 根據(jù)《城市人行天橋與人行地道技術(shù)規(guī)范》(CJJ69-1995)規(guī)范要求，鋼箱梁最大剪力值不超過170 MPa，而上述4 種荷載工況的最大剪力值均遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于規(guī)范要求，由此表明該鋼箱梁天橋最大剪應(yīng)力滿足設(shè)計(jì)要求。

4 穩(wěn)定性對比分析

為研究不同荷載工況的鋼箱梁天橋穩(wěn)定安全性是否滿足設(shè)計(jì)要求， 針對4 種荷載工況鋼箱梁天橋結(jié)構(gòu)穩(wěn)定安全系數(shù)進(jìn)行對比分析， 計(jì)算結(jié)果如圖6 所示。

圖6 不同荷載工況-穩(wěn)定系數(shù)變化曲線

根據(jù)圖6 可知，不同荷載工況的鋼箱梁天橋穩(wěn)定安全系數(shù)存在一定差異，其穩(wěn)定安全系數(shù)大小依次為：工況一＞工況二＞工況三＞工況四，其中荷載工況二的穩(wěn)定系數(shù)相對于工況一降低了約0.3， 下降幅度相對較大，而工況三、四相對于工況二下降幅度分別為0.2 和0.1，降幅相對較小，說明人群活載對于穩(wěn)定系數(shù)的影響較為明顯，而溫度荷載和風(fēng)荷載對于穩(wěn)定系數(shù)的影響較小。 4 種荷載工況下鋼箱梁天橋的穩(wěn)定安全系數(shù)均大于10，表明該鋼箱梁天橋的穩(wěn)定性滿足安全設(shè)計(jì)要求。

5 結(jié)論

為判斷某單跨鋼箱梁天橋結(jié)構(gòu)受力的合理性及安全性，針對天橋運(yùn)營階段不同荷載工況對主梁變形、 受力及穩(wěn)定性的影響規(guī)律進(jìn)行對比分析，得到以下主要結(jié)論：

(1)不同荷載工況的鋼箱梁天橋最大豎向位移值發(fā)生在主梁跨中截面，最大值為-57.68 mm，滿足天橋結(jié)構(gòu)變形設(shè)計(jì)要求。

(2)不同荷載工況的鋼箱梁天橋最大應(yīng)力值發(fā)生在主梁跨中截面，最大值為76.03 MPa，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于規(guī)范要求的295 MPa。

(3)不同荷載工況的鋼箱梁天橋最大剪力值發(fā)生在1 號墩墩頂截面，最大剪力值為44.31 MPa，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于規(guī)范要求的170 MPa。

(4)不同荷載工況下鋼箱梁天橋的穩(wěn)定系數(shù)均大于10，均滿足天橋結(jié)構(gòu)安全設(shè)計(jì)要求，綜上所述表明該單跨鋼箱梁天橋在運(yùn)營階段的結(jié)構(gòu)受力合理性較好，安全穩(wěn)定性能較高。