袁 博，何 帆，杜建成

（珠海市規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院，廣東 珠海 519000）

0 引 言

我國(guó)新建人行天橋始于1980 年10 月，即廣州人民南路天橋，人行天橋作為城市交通中的重要一環(huán)，發(fā)展速度很快，截至到1986 年底，全國(guó)已建成三十多座，直到如今，人行天橋的數(shù)量已經(jīng)數(shù)不勝數(shù)[1]。

隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，大眾審美水平不斷上升，人行天橋的建設(shè)不單單滿(mǎn)足于功能性要求，越來(lái)越多地注重景觀、舒適性等要求[2]，其中橋下空間就是使用人群較為關(guān)注的一點(diǎn)。若天橋橋下設(shè)置墩柱較多，則會(huì)壓縮行人空間，降低行人來(lái)往及過(guò)街的舒適度，因此，合理地優(yōu)化橋下空間是人行天橋設(shè)計(jì)過(guò)程中應(yīng)該考慮的問(wèn)題。

1 工程概況

如圖1 所示，珠海市一中東門(mén)人行天橋（以下簡(jiǎn)稱(chēng)“一中天橋”）位于市一中東門(mén)南側(cè)，跨越現(xiàn)狀健民路，連接市一中與香山湖公園。天橋?yàn)殇撓淞航Y(jié)構(gòu)，主橋總長(zhǎng)度為54.8 m，橋梁寬4.3 m，橋下機(jī)動(dòng)車(chē)道凈高不小于4.5 m；梯道寬4.3 m，為折線形，梯道下凈高不小于2.5 m，按坡比1∶3 布置，分別設(shè)踏步和坡道；道路兩側(cè)各設(shè)一部垂直電梯，作為無(wú)障礙設(shè)施[3]。

圖1 一中天橋效果圖

2 方案設(shè)計(jì)

城市橋梁作為體量巨大的人工構(gòu)筑物，非獨(dú)立存在于環(huán)境中，總是伴隨著所處地點(diǎn)的自然景觀和其他人工構(gòu)筑物一起映入眼簾，橋梁被組合進(jìn)入環(huán)境景觀中，融合在該橋所處環(huán)境景觀的總體美中。

一中天橋位于香山湖公園西側(cè)，所處位置較為開(kāi)闊，因此前期方案傾向于橋型簡(jiǎn)單的梁橋，橋梁上部結(jié)構(gòu)采用倒T 型的鋼箱梁截面，通過(guò)倒T 型的主梁截面和梯道截面、折線梯道等突出結(jié)構(gòu)的線條美，與周?chē)_(kāi)闊的景觀相契合。

常規(guī)鋼箱梁人行天橋會(huì)設(shè)置中墩、邊墩，梯道休息平臺(tái)位置會(huì)設(shè)置梯道墩，另外電梯還會(huì)設(shè)置專(zhuān)門(mén)的結(jié)構(gòu)柱、幕墻等，若一中天橋采用常規(guī)下部結(jié)構(gòu)方案，如圖2（a）、（b）所示，橋下由于墩柱多且距離近，橋下空間顯得很狹窄、擁擠，視覺(jué)效果不理想。為了優(yōu)化橋下空間，使行人感官及使用體驗(yàn)更舒適，并與上部結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔大方的特點(diǎn)相匹配，對(duì)橋梁下部結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，如圖2（c）、（d）所示：

圖2 一中天橋下部結(jié)構(gòu)效果圖

（1）主橋邊墩與電梯結(jié)構(gòu)“合二為一”，邊墩位置設(shè)置兩道偏心的V 型鋼結(jié)構(gòu)橋墩，電梯結(jié)構(gòu)柱位于兩道鋼結(jié)構(gòu)橋墩之間，外包幕墻，形成一體，大大減少了結(jié)構(gòu)柱對(duì)人行空間的占用；

（2）梯道截面為非對(duì)稱(chēng)的倒T 型截面，梯道位置僅設(shè)置一處V 型鋼結(jié)構(gòu)橋墩即可滿(mǎn)足梯道支承要求，保證了梯道下方行人通過(guò)的舒適性。

3 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1 主橋上部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

如圖3 所示，該橋上部結(jié)構(gòu)為“上寬下窄”梯形閉合鋼箱梁（對(duì)稱(chēng)截面），梁高1 m，寬4.3 m，采用單箱三室斷面。鋼箱梁頂板厚18 mm，底板厚18 mm，縱橋向采用板式加勁肋。橫隔板間距為3 m，橫隔板在中室設(shè)直徑50 cm 檢修圓孔。鋼箱梁寬度較小，運(yùn)輸時(shí)可僅在縱向分段，運(yùn)輸安裝方便。

圖3 主橋鋼箱梁標(biāo)準(zhǔn)斷面（單位：mm）

3.2 主橋下部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

主橋中間橋墩采用柱式結(jié)構(gòu)，墩梁固結(jié)，墩柱采用直徑1 m，壁厚30 mm 鋼管柱、內(nèi)灌微膨脹混凝土柱式墩；橋墩下設(shè)矩形承臺(tái)，承臺(tái)平面最大尺寸為4.5 m×2 m，厚度1.5 m，承臺(tái)下設(shè)2 根直徑1 m 的鉆孔灌注樁基礎(chǔ)。主橋邊墩與電梯井共用基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，橋墩下部均采用承臺(tái)接鉆孔灌注樁的基礎(chǔ)形式，承臺(tái)厚2 m，樁徑1 m。

3.3 梯道設(shè)計(jì)

梯道寬4.3 m，為折線形，橋下凈高不小于2.5 m，按坡比1∶3 布置，分別設(shè)踏步和坡道，其寬度布置為：0.15 m（欄桿）+0.55 m（推車(chē)道）+2.9 m（踏步）+0.55 m（推車(chē)道）+0.15 m（欄桿）=4.3 m；每側(cè)道路設(shè)一部垂直電梯。

梯道梁采用上寬下窄梯形閉合鋼箱梁（非對(duì)稱(chēng)截面），梁高1.0 m，與主橋主梁高度一致。

梯道墩柱為鋼管柱結(jié)構(gòu)，墩為變截面Y 型墩，壁厚30 mm 鋼管柱、內(nèi)灌微膨脹混凝土；下設(shè)三角形承臺(tái)，承臺(tái)邊長(zhǎng)3 m，角隅處設(shè)半徑為1 m 的圓弧倒角，厚度1.5 m；臺(tái)下設(shè)3 根直徑1 m 的鉆孔灌注樁基礎(chǔ)。

3.4 附屬工程設(shè)計(jì)

（1）欄桿：欄桿采用不銹鋼搭配鋼化玻璃，其中主橋欄桿為弧形，弧度與碗形主梁相匹配。

（2）橋面鋪裝：主橋鋪裝結(jié)構(gòu)為：9.5 cmC40 防水混凝土現(xiàn)澆層+0.5 cm 陶瓷顆粒鋪裝；梯道鋪裝結(jié)構(gòu)為：10 cmC40 防水混凝土現(xiàn)澆層+0.5 cm 陶瓷顆粒鋪裝。

（3）橋面排水：橋面設(shè)置1.0%橫坡及1.03%縱坡，橋面收集雨水后排入兩側(cè)排水溝，雨水沿著縱坡排向橋墩處，并通過(guò)排水管下橋，接入市政排水系統(tǒng)。

（4）垂直電梯：凈尺寸約1.6 m×1.6 m，載重量約1 050 kg（14 人）。

4 結(jié)構(gòu)計(jì)算分析

4.1 整體計(jì)算分析

運(yùn)用有限元軟件MIDAS/CIVIL 建立一中天橋結(jié)構(gòu)分析模型（見(jiàn)圖4），鋼箱梁及墩柱結(jié)構(gòu)均采用梁?jiǎn)卧M，模型中單元數(shù)共計(jì)247 個(gè)、節(jié)點(diǎn)數(shù)共計(jì)261 個(gè)。

圖4 一中天橋MIDAS/CIVIL 分析模型

荷載作用主要考慮（1）恒載：主要包括鋼梁自重、二期鋪裝、護(hù)欄及附屬結(jié)構(gòu)重量，由程序自動(dòng)計(jì)算，結(jié)合設(shè)計(jì)重量添加。（2）活載：根據(jù)《城市人行天橋與人行地道技術(shù)規(guī)范》（CJJ 69—1995）規(guī)范要求，天橋人群荷載取5 kN/m2。（3）溫度荷載：根據(jù)珠海市氣候環(huán)境，整體升溫均按30℃計(jì)算。（4）梁截面溫度：溫度梯度計(jì)算按照《BS EN 1991-1-5—2003》中6.1.4.2中規(guī)定取值計(jì)算。（5）不均勻沉降：按5 mm 計(jì)算。（6）風(fēng)荷載：按照《公路橋梁抗風(fēng)設(shè)計(jì)規(guī)范》（JDG/T 3360-01—2018）規(guī)范要求取值，其中主梁橫向風(fēng)荷載取3.1 kN/m。計(jì)算模型中材料特性參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 材料特性參數(shù)表

計(jì)算結(jié)果如下：

（1）應(yīng)力驗(yàn)算：根據(jù)MIDAS 模型計(jì)算結(jié)果，提取基本組合作用下天橋結(jié)構(gòu)組合應(yīng)力包絡(luò)圖，由圖5可知，天橋結(jié)構(gòu)最大拉應(yīng)力為174.2 MPa，最大壓應(yīng)力為196.6 MPa，結(jié)構(gòu)應(yīng)力驗(yàn)算滿(mǎn)足規(guī)范要求。

圖5 MIDAS 組合應(yīng)力包絡(luò)圖（單位：MP a）

（2）撓度驗(yàn)算：如圖6 所示，根據(jù)計(jì)算，結(jié)合《城市人行天橋與人行地道技術(shù)規(guī)范》（CJJ 69—95），人群荷載撓度為2.86 mm＜21 200/600=35.3 mm，結(jié)構(gòu)撓度驗(yàn)算滿(mǎn)足規(guī)范要求。

圖6 人群荷載撓度圖（單位：mm）

（3）舒適性驗(yàn)算：結(jié)合《城市人行天橋與人行地道技術(shù)規(guī)范》（CJJ 69—95）第2.5.4 規(guī)定，天橋上部結(jié)構(gòu)豎向自振頻率不應(yīng)小于3 Hz，根據(jù)計(jì)算結(jié)果，天橋基頻為6.18 Hz＞3 Hz，結(jié)構(gòu)舒適度驗(yàn)算滿(mǎn)足規(guī)范要求[4，5]。

4.2 局部計(jì)算分析

為保證計(jì)算可靠性，選取一中側(cè)電梯墩作為研究對(duì)象，采用通用有限元軟件ABAQUS 建立精細(xì)化模型。選用殼單元模擬鋼結(jié)構(gòu)，單元類(lèi)型為S4R，鋼材的本構(gòu)關(guān)系為理想彈塑性模型，在電梯墩底施加固結(jié)約束，局部模型的有限元離散圖如圖7 所示。

圖7 電梯墩有限元離散圖

從MIDAS 模型中提取最不利工況荷載，施加于ABAQUS 局部模型中，計(jì)算結(jié)果如圖8、圖9 所示，可以看出，兩種軟件計(jì)算后結(jié)構(gòu)應(yīng)力峰值及應(yīng)力分布情況均較為相近，計(jì)算結(jié)果可靠。

圖8 ABAQUS 模型Mis e 應(yīng)力計(jì)算結(jié)果（單位：MP a）

圖9 MIDAS 模型組合應(yīng)力計(jì)算結(jié)果（單位：MP a）

6 結(jié) 語(yǔ)

采用MIDAS、ABAQUS 有限元軟件分別建立整體鋼箱梁天橋有限元模型和電梯墩局部有限元模型，計(jì)算結(jié)果表明：天橋應(yīng)力驗(yàn)算、撓度驗(yàn)算、舒適性驗(yàn)算及承受偏心荷載的電梯墩局部驗(yàn)算均滿(mǎn)足設(shè)計(jì)規(guī)范要求，不僅說(shuō)明結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)安全、可靠，而且說(shuō)明將天橋主橋邊墩與電梯結(jié)構(gòu)“合二為一”，從而優(yōu)化橋下空間的人行天橋設(shè)計(jì)方法是合理的，該設(shè)計(jì)方法可為類(lèi)似人行天橋的設(shè)計(jì)提供一定的參考價(jià)值。