大跨预应力钢箱梁天桥设计在城市建设中的应用

张鲁明，王利伟，岳章胜

（青岛市市政工程设计研究院有限责任公司,山东 青岛 226061）

大跨预应力钢箱梁天桥设计在城市建设中的应用

张鲁明，王利伟，岳章胜

（青岛市市政工程设计研究院有限责任公司,山东 青岛 226061）

从钢箱梁天桥结构设计、基频控制等方面阐述了钢箱梁人行天桥设计时需要注意的几个问题，将预应力技术引入到大跨钢箱梁天桥设计当中，采用桁架单元温度骤降法施加预应力，分析钢箱梁结构性能，并在港工建设工程上得到了应用。

钢箱梁；人行天桥；基频；预应力

0 引言

随着城市道路越来越宽，中央隔离绿化带中城市管线布置复杂，后期迁改难度较大，人行天桥的单孔跨径不断增大，对大跨径人行天桥的需求越来越多。钢桥跨越能力强，道路中间可不设中间墩，视野通透，在工程中被广泛采用。将预应力技术引入钢结构，不仅可以改善结构的静力性能，还可以改善其动力性能。预应力简支钢箱梁桥是在钢箱梁内设置体外无粘结预应力索而形成的索梁共同受力的组合梁桥[1]。本文分析了预应力简支钢箱梁的结构性能和固有频率。

1 基频计算

1.1人行荷载特点及设计规范

研究表明亚洲人的正常行走频率介于1.6 Hz和2.4 Hz之间，因此，人行竖向激励的傅立叶级数基频大约是2 Hz，其他主要成分有4 Hz、6 Hz和8 Hz。理论上，当人行桥的自振频率落在人行激励基频（2 Hz）或高阶频率（4 Hz，6 Hz，8 Hz）附近时，人行桥就可能发生共振，因此我国《城市人行天桥与人行地道技术规范》[3]规定，天桥上部结构竖向自振频率不小于3 Hz。

各国规范对于人行天桥自振频率的规定也有所不同。CEB（1993）和SIA160（1989）建议设计时应尽量避免使人行桥的竖向振动固有频率落在1.6～2.4 Hz之间，对低阻尼结构还应避免落入3.5～4.5 Hz的范围内；日本规范要求竖向振动固有频率不应该落在 1.5～2.3 Hz范围之内；美国AASHTO规范和我国规范都要求竖向振动基频应大于3 Hz。

1.2 预应力钢箱梁的自振频率

大跨预应力钢箱梁动力特性影响因素较多，自振频率计算时需做了以下假定[4]：

（1）预应力简支钢箱梁符合平截面假定。

（2）梁的剪切和轴向变形忽略不计。

（3）预应力钢索与钢套管的摩擦忽略不计。

（4）梁的振动为无阻尼的弹性体振动。

自振频率计算：

曲线型布索的预应力简支钢箱梁模型[2]，如图1所示。

图1 曲线型布索的预应力简支钢箱梁模型

建立钢箱梁的力学模型如图2所示。

图2 曲线型布索的预应力简支钢箱梁的受力

式（1）中：N0ph为预加力Np的水平分量初始值。

2 工程应用

2.1 工程概况

本工程为某港口散货码头工程的一部分，下部海洋平台根据工艺要求已经设计并施工完成，因此人行桥的跨径被限定，分别为49.7 m、53 m、56 m和60 m四种。上部结构采用的主要材料包括：

（1）钢材：人行桥钢箱梁均采用Q345D钢材，搭接钢桥及部分辅助性钢材（钢梯等）采用Q235B钢，抗拉锚栓采用R235钢加工；

（2）预应力钢绞线及锚具：体外预应力束采用环氧喷涂无粘结成品索外包HDPE，纺锤形转向器，TSK型锚具。

2.2 结构设计

4座人行桥的主桥结构计算采用杆系有限元模型，其中体外预应力采用桁架单元模拟，桁架单元与梁单元通过竖向刚度无限大的竖向弹簧单元模拟，为模拟体外预应力的受力特性，模拟预应力钢绞线的桁架单元在转向点处与钢结构梁单元节点采用刚性连接，以达到限制纵向位移的目的。如图3、图4所示。人行天桥结构各构件尺寸见表1。

图3 人行钢桥有限元图

图4 人行钢桥箱梁断面布置图（单位：mm）

表1 人行钢桥截面各板件尺寸

2.3 设计荷载

主桥结构静力计算包括施工阶段和运营阶段分析，施工阶段荷载包括一期恒载，预应力张拉，二期恒载；运营阶段荷载有人群荷载和风荷载按最不利效应进行组合。

各项荷载计算如下：

一期恒载：由软件自动计入，横隔板自重按集中荷载作用在节点上。

二期恒载：包括桥面聚氨脂橡胶铺装及护栏，按5 kN/m计；

人群荷载：桥面宽3.2 m，人群荷载标准按3.5 kN/m2，取11.2 kN/m；

风荷载：根据《公路桥涵设计通用规范》（JTG D60-2015），横纵桥向风荷载假定水平地垂直作用于桥梁各部分迎风面积的形心上，标准值按式（2）至式（5）计算。

V10取为35.2 m/s，较为保守地认为系梁处对应Z=11 m的情况。

风荷载作用于横桥向，计算横桥向风荷载各个参数如表2所示。

2.4 主桥上部结构静力计算结果

由于4座钢桥均为简支边界，所以选取各座桥梁跨中截面作为控制截面，验算跨中截面在荷载组合作用下截面应力值。

（1）成桥阶段应力验算

表2 人行钢桥横桥向风荷载计算

成桥阶段各座钢桥跨中截面上下翼缘的应力值如表3所示。

表 3成桥阶段各控制截面应力及变形值

由表3可以看出，主桥在成桥阶段，最大应力发生在主跨跨中截面下翼缘，最大拉应力均＜210 MPa，满足设计要求。成桥状态下计算得到的跨中最大挠度应在梁段设置预拱度时给予消除。

（2）正常运营阶段应力验算

主桥进入正常运营阶段，承受可变荷载作用，包括人群荷载，风荷载等。

主桥在荷载组合作用下应力和变形情况如表4所示。

从表4中看出，在正常使用条件下，钢梁最大拉应力发生在主跨跨中截面下翼缘，各座桥的最大应力均小于钢材容许应力210 MPa，满足设计要求。

表4 正常运营阶段各控制截面应力及变形值

4座钢桥在正常运营阶段标准值组合作用下应力分布情况如图5-8所示。

图5 49.7 m人行钢桥正常运营阶段应力图

图6 53 m人行钢桥正常运营阶段应力图

图7 56 m人行钢桥正常运营阶段应力图

图8 60 m人行钢桥正常运营阶段应力图

2.5 主桥结构挠度计算

4座钢桥在人群荷载作用下位移变形值如表5所示。

表5 人群活载作用下主梁跨中挠度

主桥在主跨满布人群荷载作用下活载挠跨比均<1/600，满足规范设计要求。

2.6 主桥结构预拱度计算

为减小主梁在正常使用阶段出现过大挠曲变形，钢箱梁在工厂制作时预先设置了预拱度。根据规范要求，主桥预拱度可按恒载+1/2静活载作用下的主梁挠度设置钢箱梁预拱度。

由MIDAS软件计算得到，主桥上部结构在恒载+体外预应力+1/2静活载作用下主跨跨中最大挠度如表6所示。

2.7 主桥结构固有频率计算

采用MIDAS软件分析4座人行桥上部结构在简支边界下的固有频率如表7所示。

表6 各座人行钢桥的预拱度计算

表7 人行桥固有频率

3 结语

（1）大跨度人行钢箱天桥设计，将预应力技术引入钢结构，可以很好的改善结构的静力性能，提高钢箱梁上部结构的承载能力；

（2）预应力钢箱梁相比于普通钢箱梁，箱梁梁高大约低30%，桥梁景观效果较好；

（3）人行天桥设计时必须考虑行人行走的舒适性，如频率接近行人行走的频率会产生不舒适感；

（4）钢箱梁人行天桥控制设计的主要因素是自振频率，而现行规范规定的人行天桥的自振频率对大跨钢箱梁影响较大，作者认为有必要对规范的适用性做进一步研究。

[1]王佳伟，贾艳敏.预应力简支钢箱梁自振频率研究[J].工程力学, 2009（4）:27-30.

[2]沈晔，葛春辉.人行桥自振频率的分析与计算[J].特种结构,2004（3）：53-55.

[3]CJJ69-95，城市人行桥与人行地道技术规范[S].

[4]龙驭球，包世华.结构力学教程Ⅱ[M].北京：高等教育出版社，2011.

U448.15

B

1009-7716（2017）09-0081-04

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2017.09.023

2017-05-08

张鲁明（1982-），男，山东青岛人，工程师，硕士，从事市政、轨道交通设计工作。