2016 年优秀论文表扬奖：大跨箱型截面钢桁架人行天桥设计实例与经验总结

2016年度优秀论文表彰奖

大跨度箱形截面钢桁架人行桥设计实例

作者 | 郑利君

概括

以宝鸡高新区高新大道宝鸡文理学院人行天桥为研究对象，详细介绍了该人行天桥的总体设计、结构计算及施工要点，同时总结了大跨度箱形钢桁架人行天桥的设计经验。

关键词

大跨度箱型钢桁架人行桥设计与施工

项目概况

宝鸡文理学院步行桥位于宝鸡高新区高新大道与高新二路交叉口西侧，北侧临宝鸡文理学院新校区南门，南侧为沿街商业区及高档住宅区，附近人流量较大，此处尚无行人过街设施，故特意修建此步行桥，以满足学校师生及附近市民的需求。该桥横跨高新大道，高新大道为双向六车道城市主干道，总宽50米，是宝鸡高新区渭河南岸最繁忙的东西向交通要道。作为高新大道上首座步行桥，为减少对交通的干扰，同时彰显其美观，采用单孔桥形式横跨高新大道（行车道、辅路），两侧人行道均布置成“工”字形楼梯。 该立交桥主桥采用跨度40m钢桁架，两侧钢结构楼梯及坡道采用牛腿支撑在主梁上。该桥于2015年4月开工建设，大桥效果图如图1所示。

图1 大桥效果图

总体设计

2.1

立交桥总体布置

立交桥主桁架全长46.8m，其中主跨40m，两侧悬臂3.4m。截面布置为0.3m桁架弦长+0.25m栏杆+4.5m人行道+0.25m栏杆+0.3m桁架弦长=5.6m。为体现桥梁的动态美，主桥结构采用底承式变高曲线钢桁架，跨中处桁架最低点高4.03m，支座附近最高点高5.197m。钢结构梯道坡道布置呈“工”字形，设有1：2楼梯和1：4坡道，踏步分别为15cm×30cm和10cm×40cm。

2.2

钢桁架结构布置

为增强立交桥整体的美观效果，桁架采用变高形式，即上弦略呈波浪形弯曲。主桥采用两座钢桁架，用钢横梁连接成整体结构，下弦平面上钢横梁间距为2m，支座端设剪刀撑；上弦平面上钢横梁间距为4m，设剪刀撑。钢桁架直腹杆间距为4m，在楼梯处变为3.4m，两相邻直腹杆之间设斜腹杆。跨中桁架高度为4.03m，支撑桁架高5.197m，各杆件均为钢板焊接成的矩形截面。 主要截面尺寸为：主桁架上弦杆为400mm×300mm×14mm（高×宽×壁厚），下弦杆为500mm×300mm×16mm（支点处为600mm高），腹板为300mm×300mm×12mm。上弦平面横梁为350mm×200mm×14mm，下弦平面横梁采用工字型截面，为400mm×300mm×14×12mm（高×宽×顶底板厚度×腹板厚度）。

2.3

乙

桁架节点是该类型桥梁设计的关键部位，为了使桁架外观美观，设计采用整体节点板，节点立面采用内外一体钢板切割成节点形式，内部加设加劲板，此形式具有：无焊缝、节点整体性好、力直接传递等优点。根据现行钢结构设计规范，对该类型矩形管节点进行校核，承载力满足要求。桁架节点结构如图6所示。

2.4

附属设施设计

桥面自上而下采用20mm防滑地砖+20mm厚砂浆+100mmC40防水钢筋混凝土+YXB51-226-678mm波形钢复合楼板。波形钢复合楼板常用于房屋结构。在立交桥桥面体系中，它有诸多优点：（1）波形钢板可作为浇筑混凝土的模板，不影响桥下交通；（2）使用阶段与混凝土板共同受力，取代部分受力钢筋，增强结构承载力。主桥采用双向1%纵坡自然排水、双向1%横坡，坡道面粘贴20mm厚塑料面层，设置铝合金防滑条。栏杆采用不锈钢夹层钢化玻璃栏杆，雨棚采用彩色钢化夹层玻璃。

结构计算

3.1

静态计算

利用通用有限元软件Midas2013建立空间梁单元模型，承载状态下桁架应力如图2所示，桁架最大拉应力为115.9 MPa，最大压应力为89.9 MPa，小于Q345钢的许用应力210 MPa。

图2 承载状态下桁架应力图

正常使用情况下，人群荷载引起的最大垂直挠度为14.1mm，小于规范中的允许挠度值L/800=50mm，重力荷载和人群引起的向下挠度为33mm＞L/1600=25mm，因此需要设置预拱度。

3.2

动态计算

结构特征值分析采用子空间迭代法，通过Midas2013程序中荷载将第二阶段荷载转化为质量函数，将第二阶段荷载转化为节点质量，计算结构第一阶竖向弯曲频率为3.15Hz，根据文献报道，为避免共振，降低行人的不安全感，立交桥上部结构竖向自振频率不应小于3Hz，计算结果满足文献要求。从以上计算可以看出，钢桁架构件承载力较大，结构整体刚度较大，构件规格选取需要综合考虑承载力、刚度、焊接间距等要求。

施工方法

主桥钢桁架先在工厂制作完成，然后运到现场吊装、焊接。全桥施工分为三个阶段。第一阶段：桩基、桥墩施工。同时在工厂制作钢桁杆、节点、楼梯等。第二阶段：搭设临时支撑，将钢桁架、楼梯运到施工现场，利用凌晨车流稀少时临时封闭交通，分段吊装钢桁梁、楼梯，并进行焊接。第三阶段：铺装、压钢板、桥面铺装及栏杆安装、雨棚、桥面装饰安装等。

结论

（1）城市人行天桥多采用钢箱梁、钢桁架结构设计。大跨度钢桁架结构与钢箱梁相比，施工简便、用钢量少、造价低、景观效果好，且更易于安装雨水挡板。与钢箱梁相比，下支式钢桁架可以降低桥面标高，因此可以减少两侧楼梯长度，减少立交桥用地。

（2）大跨度简支钢桁架结构的主要控制因素是竖向一阶自振频率，而影响桁架竖向自振频率的主要因素是桁架高度。设计时应注意选取合理的桁架高度。为满足立交桥竖向自振频率要求，钢桁架结构立交桥的高跨比一般较大（约为1/10），导致钢桁架的刚度相对较大，因此桁架截面可以比较小，节点间距可以比较大，以增加立交桥的通透性和轻盈度。

（3）节点板利用弦杆两侧腹板的形状，内部设有加劲板。腹板与节点板采用对接焊缝。这种节点形式具有力传递直接、节点整体性好、外形美观的优点。

（4）钢桁架桥面采用波形板组成，与横梁共同受力，结构刚度大，施工快捷方便。

参考

[1] 城市人行天桥与人行地下通道技术规范（CJJ69-95）

[2]曾令泉,孟杰.全焊接箱形截面三角形钢桁架在人行天桥中的应用.城市道路桥梁与防洪,2014(12):75-77。

[3]刘伟昌.单跨60m钢桁架人行桥设计与施工.山西建筑,2012(4):207-208.