王 煜
(重慶市設(shè)計(jì)院有限公司,重慶市 400015)
憑借跨越能力強(qiáng)、施工快速便捷和景觀性好等優(yōu)點(diǎn),鋼結(jié)構(gòu)橋已經(jīng)成為國內(nèi)城市人行天橋的主流形式。而隨著城市道路的不斷拓寬,以及地下軌道、管網(wǎng)和綜合管廊對橋梁布墩所造成的限制,城市人行天橋的跨度也在相應(yīng)增大。重慶市渝州路道路拓寬改造工程2 號人行天橋就是一個(gè)較為典型的案例。該天橋受道路拓寬及地下軌道的影響,跨徑布置為1×56 m,主梁采用簡支下承式拱形鋼桁架結(jié)構(gòu),在安全性、功能性和景觀性之間實(shí)現(xiàn)了良好的平衡。
重慶市渝州路道路拓寬改造工程位于重慶市渝中區(qū)和高新區(qū),起點(diǎn)接大坪循環(huán)道,終點(diǎn)接石橋鋪立交,路線全長約3.5 km,項(xiàng)目總投資約4.64 億元,道路等級為城市主干道。工程將現(xiàn)狀雙向4 車道的渝州路拓寬至雙向8 車道,并在部分路口增設(shè)人行天橋,以保障行人過街安全及車流暢通。
2 號人行天橋位于重慶市高新區(qū)渝州路與渝州支路交叉口附近,上跨東西走向的渝州路。橋下道路拓寬后橫向布置為:13.50 m(人行道)+36.75 m(車行道,含中央分隔帶)+13.75 m人行道。城市軌道交通1 號線和5 號線的3 條隧道沿渝州路走向布置于車行道和人行道下方,2 號人行天橋基礎(chǔ)須與城市軌道交通結(jié)構(gòu)保持3 m以上的水平凈距,這導(dǎo)致2號人行天橋在車行道和部分人行道范圍內(nèi)無法布墩。此外,受兩側(cè)用地條件限制,2 號人行天橋結(jié)構(gòu)物須設(shè)置在道路紅線范圍內(nèi)。經(jīng)現(xiàn)場踏勘和資料分析,該天橋需采用簡支梁橋形式,主梁跨徑超過50 m。
目前國內(nèi)城市道路人行天橋主要采用鋼箱梁和鋼桁架梁形式。鋼箱梁由于外觀龐大笨重、用鋼量大、主梁橋面偏高導(dǎo)致梯道過長等缺點(diǎn),很少用于40 m跨徑以上的簡支天橋。而下承式鋼桁架梁結(jié)構(gòu)具有受力明確、跨越能力強(qiáng)[1]、用鋼量較少、自重較輕、景觀通透性好、梯道銜接與布置較為合理等優(yōu)點(diǎn),更適宜作為該天橋的結(jié)構(gòu)形式。此外,為確保2 號人行天橋自振頻率不低于規(guī)范要求的3 Hz[2],2 號人行天橋桁架最大高度將超過6 m,而橋址處周邊為景觀綠地和低矮房屋,因此,為提升橋梁與周圍環(huán)境的景觀融合度,2 號人行天橋采用下承式拱形桁架梁,通過上弦桿的弧形曲線變化來減小天橋的視覺體量感。2 號人行天橋景觀效果圖見圖1。
圖1 2 號人行天橋景觀效果圖
2 號人行天橋主梁全長56.6 m,計(jì)算跨徑1×56 m(見圖2)。橋墩設(shè)置于人行道外側(cè),這樣在確保車輛行人通行順暢的同時(shí),橋下空間通透寬敞,視覺效果好。主梁采用簡支下承式拱形鋼桁架結(jié)構(gòu),由2 片拱形桁架和橫聯(lián)桿件組成整體,斜腹桿采用三角形布置,最大桁高6.36 m;橫向布置為:寬0.4 m桁架+寬4.5 m人行道+寬0.4 m桁架=5.3 m。在桁架梁兩側(cè)設(shè)有梯道梁,梁與梁之間設(shè)置伸縮縫斷開。在每片桁架梁兩端設(shè)有1 根T 形獨(dú)柱墩作為支撐,橋墩基礎(chǔ)采用直徑1.5 m的獨(dú)樁,樁基與軌道結(jié)構(gòu)水平凈距在3 m以上。
圖2 2 號人行天橋立面布置示意圖(單位:cm)
2 號人行天橋桁架桿件采用全焊箱形截面,其橫斷面圖見圖3。2 號人行天橋的上弦桿為拱形,拱軸線跨度56 m,矢高6 m,矢跨比為6/56;上弦桿截面尺寸為400 mm×450 mm×28 mm;下弦桿截面尺寸為400 mm×550 mm×28 mm,并從跨中向兩端設(shè)置0.5%的縱坡,以滿足排水要求。
圖3 2 號人行天橋桁架橫斷面圖(單位:cm)
2 號人行天橋的斜腹桿截面尺寸為400 mm×300 mm×12 mm。上弦桿之間設(shè)置上橫梁,截面尺寸為200 mm×250 mm×12 mm;下弦桿之間縱向交替設(shè)置下橫梁和橫向連接桿,截面尺寸分別為250 mm×280 mm×16 mm 和150 mm×200 mm×12 mm。
2 號人行天橋桿件連接節(jié)點(diǎn)采用無節(jié)點(diǎn)板設(shè)計(jì),節(jié)點(diǎn)處斜腹桿的上、下側(cè)鋼板與弦桿直接抵焊,斜腹桿和弦桿的側(cè)板采用整體切割成形,并在桿件之間采用圓弧過渡,以優(yōu)化節(jié)點(diǎn)應(yīng)力分布,而且外形簡潔圓潤。
2 號人行天橋桁架節(jié)點(diǎn)示意圖見圖4。
圖4 2 號人行天橋桁架節(jié)點(diǎn)示意圖(單位:cm)
此外,在弦桿內(nèi)部設(shè)置加勁隔板,隔板位于腹桿鋼板與弦桿抵焊處的正下方,該措施可有效減小節(jié)點(diǎn)處應(yīng)力集中[3]。
采用Midas/Civil 軟件對2 號人行天橋建模計(jì)算。2 號人行天橋計(jì)算模型圖見圖5。
圖5 2 號人行天橋計(jì)算模型圖
在承載能力極限狀態(tài)下,2 號人行天橋桁架桿件最大拉應(yīng)力為93.1 MPa;最大壓應(yīng)力為131.7 MPa,小于Q355 鋼材強(qiáng)度設(shè)計(jì)值270 MPa,滿足規(guī)范要求。
在正常使用極限狀態(tài)下,2 號人行天橋桁架結(jié)構(gòu)由人群荷載引起的最大豎向撓度為19 mm,小于規(guī)范允許撓度值56 000/800=70 mm。由結(jié)構(gòu)重力和人群荷載所產(chǎn)生的向下?lián)隙葹?4 mm,小于規(guī)范容許值56 000/1 600=35 mm,可不設(shè)置預(yù)拱度。
根據(jù)規(guī)范要求,人行天橋上部結(jié)構(gòu)豎向自振頻率不應(yīng)小于3 Hz。該天橋主梁1 階豎向自振頻率為3.08 Hz,滿足規(guī)范要求。
(1)天橋作為城市道路景觀的一部分,在確保安全性和功能性的前提下,應(yīng)注重橋梁自身景觀性與周圍環(huán)境的協(xié)調(diào)性,設(shè)計(jì)過程中需綜合考慮橋梁結(jié)構(gòu)性能、橋下道路和其他建(構(gòu))筑物布置、周邊環(huán)境特點(diǎn)、經(jīng)濟(jì)性等因素。
(2)相較于鋼箱梁,下承式拱形鋼桁架梁桿件受力簡單明確,可充分發(fā)揮材料的受力性能,梁高對梯道的布置影響小,用鋼量更少,經(jīng)濟(jì)性更好,而且拱形結(jié)構(gòu)景觀效果好,與周圍環(huán)境的相容協(xié)調(diào)性好,適用于跨度較大的城市人行天橋。
(3)桁架桿件節(jié)點(diǎn)采用無節(jié)點(diǎn)板設(shè)計(jì),美觀性較好,但需采取措施來減小節(jié)點(diǎn)處的應(yīng)力集中。本次設(shè)計(jì)采用節(jié)點(diǎn)桿件側(cè)板整體切割成形、桿件之間圓弧過渡、弦桿增設(shè)加勁隔板等措施,可有效減小節(jié)點(diǎn)處的應(yīng)力集中。
(4)計(jì)算結(jié)果顯示,相較于桿件承載力,該天橋豎向自振頻率富余度更小,故跨度較大的拱形鋼桁架天橋設(shè)計(jì)應(yīng)特別關(guān)注自振頻率是否滿足規(guī)范要求??赏ㄟ^增加跨中梁高、增大弦桿截面等方式來提高自振頻率。