敦煌基地小转盘过街人行天桥工程方案设计研究

叶 栋 魏 涛

(中国石油集团工程设计有限责任公司青海分公司，甘肃 敦煌 736202)

敦煌基地小转盘过街人行天桥工程方案设计研究

叶 栋 魏 涛

(中国石油集团工程设计有限责任公司青海分公司，甘肃 敦煌 736202)

从跨度、桥宽、梯道宽度及长度、结构外形、施工难度、投资估算等方面出发，对过街人行天桥工程项目方案设计中提出的三套设计方案进行对比分析，确定方案一、二为推荐方案，通过建立主梁结构仿真模型，从承载能力、变形能力及结构刚度三个方面进行对比，最终得到方案一的承载能力、变形能力及结构刚度均优于方案二，继而确定方案一为项目的推荐方案。

跨度，桥宽，方案

0 引言

近几年，敦煌基地基础设施改造力度相对较大，各小区总图改造、基地道路改造也日趋完善，整个基地道路交通状况得到很大改善。为完善环林带六公里健身、徒步道路景观项目，亦为了解决小转盘人流量较大的问题，青海油田公司计划在昆仑路与中原路交叉路口建设人行天桥，确保该道路人流交通的安全和丰富城市景观。

该桥的建设可有效缓解昆仑路车流量较大造成人流通行缓慢的问题，解决环林带工程小转盘十字路口人行跨越问题，与此同时，人行天桥亦可成为连接新区和老区的纽带，成为新、老区之间的地标性建筑。

本文将以该人行天桥为背景，坚持“统一规划、合理布设、科学适用、方便群众”的原则，对人行天桥的设计方案作以分析研究，该地区地基条件良好，地基对结构形式的影响较小，故本文以桥梁上部结构为研究对象，主要针对天桥的主梁结构形式、材料选择、受力状态、施工难度、投资造价、城市景观等方面作以对比分析研究，最终得到结构受力合理、材料最优、造价较低的天桥结构。

1 工程概况

1.1 设计内容

本方案设计内容为在青海油田敦煌基地小转盘路口西侧新建一座钢架结构桥梁，设计方案3套，通过方案比选，确定最终的推荐方案。主梁采用空间钢桁架结构，桥梁总跨度为43.6 m，分别跨越双向行车道(2×9.0 m)，4条绿化带(4×2.0 m)，2条非机动车道(2×4.5 m)，以及两侧人行道(2×4.3 m)，桥梁净高5.0 m，桥面宽度3.6 m，桥梁两侧分别设置双面人行梯道，梯道宽度3.0 m。

1.2 设计基本参数[1-4]

1)结构安全等级：二级；2)耐久使用年限：30年(主体结构)；3)地基基础设计等级：丙级；4)地基处理：暂按天然地基考虑；5)标准冻深：1.40 m；6)结构体系：钢桁架结构和钢板梁桥结构；7)抗震设防烈度：7度、第三组、地震加速度0.1g；8)基本风压：0.50 kN/m2；9)基本雪压：0.15 kN/m2。

1.3 人行天桥布置原则

人行天桥布置于社保中心大门和CPE青海分公司大门之间直线段区域范围内，直线区域长40 m；方便行人上下天桥；天桥南侧梯道需避让社保中心大门，北侧梯道需与“环林带”线路人行道紧密连接；桥梁布置需靠近中原路，服务于“环林带”线路中行人穿越昆仑路，在靠近中原路的同时兼顾整体布局的美观性。

1.4 方案概况对比分析

对设计中所提出的3套方案：方案一(三跨连续平顶钢桁架桥)、方案二(三跨连续波形钢桁架桥)、方案三(钢板梁桥)，从跨度、桥宽、梯道宽度及长度、结构外形、施工难度、投资估算等方面作以简单对比，对比结果见表1。

表1 方案对比结果

通过跨度、桥宽、梯道宽度及长度、结构外形、施工难度、投资估算等方面作以简单对比分析可得：

1)方案三结构简单，施工便利，造价最低亦能满足功能要求，但作为城市桥梁，又处在十字交叉路口，结合周围环境特点，从城市景观角度考虑，该方案明显劣势于方案一、二；

2)方案一、二整体布置情况接近，区别在于上部结构桁架部分的顶部一个为平顶，一个为波形顶。从外观角度讲，方案二的波形顶明显优于方案一，但波形顶的使用，使得钢桁架节点连接变得复杂，亦影响到主桁架部分杆件的使用，方案一采用H型钢杆件，节点连接主要采用螺栓连接，而方案二则为了方便施工，主桁架杆件改用无缝钢管，节点采用焊接连接，其复杂于螺栓连接；

3)方案一主材选用H型钢，方案二主材选用无缝钢管，节点连接亦有差别，考虑到施工难度及造价的因素，方案一优于方案二。

综上，推荐方案将从方案一、二中产生，方案一、二的方案比选有待进一步的研究。

2 主梁结构仿真模型对比分析

本节针对1.4节的方案概况对比分析所提出的问题，对方案一、二的上部结构主梁结构部分做进一步分析研究。通过Midas/civil有限元软件建立仿真模型，进行承载能力、变形能力、结构刚度的对比分析。

2.1 建模要点

在Midas/civil有限元软件中，方案一、二中均为空间桁架结构，有限元软件建模中，下平纵联主梁采用梁单元，其他杆件单元均采用桁架单元。建模中仅建立上部桁架部分，不考虑两侧台阶对上部结构的作用，由于地基条件良好，基础状态稳定，故建模中亦不考虑下部结构对上部结构的作用影响。建立的有限元模型具体见图1，图2。

2.2 有限元模型计算结果对比

1)荷载计算。

人行天桥构件按照梁单元及桁架单元进行计算分析,根据CJJ 69—1995城市人行天桥与地道技术规范[5]的相关条款，主要考虑以下荷载:a.钢结构的自重：钢材容重取78.5 kN/m3，结构自重由程序自动计算；b.桥面铺装采用5 cm～8 cm钢筋混凝土及1 cm防滑地砖,容重取26 kN/m3；c.两侧人行栏杆q=2.0 kN/m；d.活载:人群荷载5.0 kN/m2；e.风荷载：0.5 kN/m2；f.温度荷载:体系整体均匀升、降温按20 ℃计算。

2)内力对比分析。

对结构有限元模型进行模拟加载，在不同的荷载工况作用下，提取结构内力数据进行对比，具体数据如表2所示。

表2 内力数据对比表

由表2数据分析可知,在自重及外荷载作用下，两种模型计算得到的内力数据差异显著。支座反力可间接得到桁架结构的钢架部分的自重，即方案一自重168.6 kN，方案二自重257.4 kN，方案二结构自重明显大于方案一；弯矩、应力数据也表现出方案二明显大于方案一的情形。综上，方案一的自重小，用钢量少，结构内力相对较小，承载储备相对较大，即方案一明显优于方案二。

3)变形对比分析。

对结构有限元模型进行模拟加载，在不同的荷载工况作用下，提取结构变形数据进行对比，具体数据如表3所示。

由表3数据分析可知,在相同荷载工况作用下，主要考察了结构在跨中位置的主梁及弦杆的竖向变形，经对比得出，方案一在三种荷载工况作用下的变形均小于方案二，方案一抵抗变形的能力优于方案二。

表3 变形数据对比表

根据CJJ 69—1995城市人行天桥与人行地道技术规范的要求,天桥上部结构，由人群荷载计算的最大竖向挠度不应超过L/800的允许值，与钢结构设计规范相符合。两种方案的上部结构在人群荷载作用下，结构的最大竖向位移为3.267 mm，远小于25 mm(20 000/800)的规范限值要求。

4)结构刚度对比分析。

钢箱梁这种结构形式虽然经济美观，能够满足承载能力的要求，但这种结构的固有频率比较低，容易发生共振。专门用于行人的天桥，结构自重小，当桥上行人较多时，很容易产生较大的振动。因此，人行天桥设计中必须注意荷载频率和自振频率过分接近而引起的振动问题[6-8]。CJJ 69—1995城市人行天桥与人行地道技术规范2.5.4条的规定，为避免共振，减少行人不安全感，天桥上部结构频率不应小于3 Hz。

对结构进行刚度振型分析，特征值分析中，采用子空间迭代法，计算前10阶振型，迭代次数20次，收敛误差1×10-10,计算得到结构振动前10阶的周期、频率及振型。方案一、二的振型见图3。

经计算方案一、二的结构自振频率分别为4.841 Hz和4.774 Hz，满足规范的要求，与此同时，可得方案一的刚度略大于方案二，即方案一优于方案二。

3 结语

在1.4小节(方案概况对比分析)中得到，方案一、二各有优势及劣势，不能确定优选哪一个方案，经第2章(主梁结构仿真模型对比分析)从结构受力对比分析可得，从承载能力、变形能力、结构刚度三个方面均得到方案一优于方案二，因此，经方案比选，最终确定方案一(三跨连续平顶钢桁架桥)为本桥方案设计的推荐方案。

[1] GB 50009—2012，建筑结构荷载规范[S].

[2] GB 50007—2011，建筑地基基础设计规范[S].

[3] GB 50223—2008，建筑工程抗震设防分类标准[S].

[4] GB 50017—2003，钢结构设计规范[S].

[5] CJJ 69—1995，城市人行天桥与人行地道技术规范[S].

[6] 肖建春.环形人行天桥的结构设计[J].建筑结构学报,1999,20(3):58-63.

[7] 薛红云.某人行天桥建设方案及其结构设计[J].建筑结构设计,2003(7):4-7.

[8] 林 海.人行天桥结构设计研究[D].成都：西南交通大学硕士学位论文,2013.

Research on engineering scheme design of street pedestrian overpass of Dunhuang base small turntable

Ye Dong Wei Tao

(QinghaiBranch,ChinaPetroleumGroupEngineeringDesignLimitedLiabilityCompany,Dunhuang736202,China)

From the span, bridge width, stairway width and length, structure shape, construction difficulty, investment estimation and other aspects, this paper made contrast analysis on three sets of design schemes mentioned in street pedestrian overpass project schemes, in order to recommend the scheme 1, 2, through the establishment of main beam structure simulation model, from the bearing capacity, deformation capacity and structure stiffness three aspects made comparison, finally gained the bearing capacity of scheme 1, the deformation capacity and structure stiffness better than scheme 2, then determined the scheme 1 was the project recommended scheme.

span, bridge width, scheme

2015-01-28

叶 栋(1988- )，男，助理工程师； 魏 涛(1969- )，男，高级工程师

1009-6825(2015)10-0174-03

U448.11

A