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一、引言
随着城市的发展, 城市交通问题预发突显, 人行天桥的建设可以实现人车分离, 提高地面的道路的通行能力, 并提高人群过街的舒适性和安全性。由于钢桁架结构跨越能力大, 桥面高度小, 当跨度达到35m以上时, 相较钢箱梁, 具有人行道抬升高度小、结构刚度大、吊装重量小的优点, 因此在天桥建设中具有相当的适用空间。
通常的桁架结构其桥面系与桁架结构分离, 桁架仅承受整体弯矩, 桁架主杆件主要承受轴力。但这种结构型式其下平联和桥面系杆件数量多、节点复杂。对于人行天桥, 其桥面荷载较小, 本桥将桥面系和桁架下弦杆结合在一起, 简化了桥面构造, 成为一种板桁组合结构。
本文以温州市安澜天桥为例, 分析了板桁组合结构的受力特点, 比较了与经典桁架结构的异同点。
二、工程背景
安澜天桥位于温州港安澜亭轮渡客运码头是主城区重要的水运客运枢纽, 平时日均客流量有上万人次, 节假日等高峰时期更是倍增, 该工程也是温州市交通治堵的重点工程。同时, 随着瓯江路两侧地块的逐步建成, 机动车流量将会稳步上升。安澜天桥的对于快速、安全地疏散客流, 提升地面交通过流能力, 具有极大的意义。
安澜天桥位于环城东路和瓯江路 (望江路) T型交叉路口, 瓯江路呈东西方向连续通过, 其北侧为安澜亭轮渡客运码头, 环城东路在瓯江路南侧接入, 安澜天桥平面呈反L型布置, 依次连接T型路口的三个区间, 分别为安澜亭码头、环城东路东侧的导流岛和环城东路西侧 (安澜大厦附近) 。天桥在三个区间均设有步行梯道和自动扶梯, 全桥设置安全雨棚, 提高了行人过街的舒适性。
三、桥梁总体结构设计
本桥跨线部分主桥均为1×43.9m方钢管桁架桥, 单跨地面道路。主桥桁架总高为4.365m, 跨度43.9m, 腹杆采用V型布置, 各杆件尺寸如下:上弦杆采用350×400×16方钢管;下弦杆采用350×530×16方钢管;;腹杆采用350×260×16方钢。上平联采用200×300×14方钢管。桥面板采用正交异性板, 板厚12mm, 加劲肋尺寸为120×12扁钢;楼梯为梁式结构, 梁高72cm;桥墩为方形柱式桥墩, 基础采用D80~120cm钻孔灌注桩。桁架结构图示详见图1、图2。
四、桥面系构造
通常的桁架结构, 桥面板通过横梁将荷载传递给桁架系统, 而桥面系与桁架不直接连接, 两者各自承担相应受力体系的作用, 属于板桁分离式结构。
本项目的桥面系统采用正交异性板+桥面横梁的结构型式。桥面横梁在下弦杆节点及每1/4节间长度设置一道, 其上铺设正交异性桥面板 (见图4) 。桥面板不仅与横梁直接连接, 而且也与下弦杆焊接连接, 因此桥面、横梁和弦杆这三个构件完全结合在一起, 属于板桁组合结构[1]。
五、桥面系构造对结构行为的影响
此类板桁组合结构较普通的桁架结构有如下结构特点[1]:
1、桥面板同时发挥桥面、桥面系和主桁架平面纵向联结系等多种作用, 有效地参与主桁架的受弯, 部分参与主桁架受剪, 使主桁架受力发生变化。
2、板桁组合结构不仅承受、传递桥面荷载, 而且和主桁结构形成稳定的空间结构。桥梁横向抗弯刚度、整体抗扭刚度更大, 动力性能更优。
3、板桁组合结构达到极限破坏状态下, 安全储备更多。
4、板桁组合结构的桥面构造更加简洁, 美观性好, 施工节点少。
以本项目为例, 采用Midas civil软件分别模拟板桁组合式和板桁分离式两种结构模型, 分析其静动力和稳定性特征。
模型一 (板桁组合式) :桁架及上下平联采用梁单元模拟, 桥面板采用正交异性板单元模拟。桥面板和下弦杆通过共用节点连接, 准确地模拟了板桁组合式结构。
模型二 (板桁分离式) :仅用梁单元模拟出桁架和上下平联的杆件, 由于桥面板不参与结构整体受力, 仅将桥面板的自重作为荷载作用于横梁。
按照上述两种结构模型, 分别按恒载、恒载+人群荷载和恒载+风荷载三种工况进行计算分析, 其主要结果如下表1~4所示 (应力指标以受拉为正, 受压为负) 。
从上述静力计算结果可以知道, 板桁组合结构增加了下弦杆的受力截面积, 并且提高下弦杆的水平相联系。因此在竖向作用或是水平作用下, 板桁组合结构可大幅减少下弦杆应力。但对于上弦杆, 不论竖向或是水平作用下, 其所受内力均影响不大。对于斜腹杆, 对于竖向作用影响不大;对于水平作用板桁组合结构有一定的强化作用。
从结构挠度的计算结果看, 板桁组合结构能相当大提高结构竖向和水平刚度。
对两种结构模型进行动力特性计算, 其结果如表5。
从表5的数据可以看到, 板桁组合结构提高了下弦结构的截面积, 从而提高竖向刚度, 因此竖向一阶自振频率有相当幅度的提高。此外, 由于桥面板将下弦平面紧密连接为一个整体, 使得桁架总体的水平刚度有了很大的提高, 水平模态的的一阶自振频率从1.47Hz提高到5.40Hz。
六结论
桥面板与下弦杆相互焊接构成整体的板桁组合结构相对于通常板桁分离的桁架结构, 具有相当的优点, 主要有一下几点。
1、大大减少了的下弦杆内力。
桥面板与下弦杆紧密连接成一个整体, 桥面板也能充分的参与结构整体受力, 因而大幅降低了下弦杆的受力, 但对于上弦杆和斜腹杆影响不大。
2、提高了桁架的整体竖向刚度。
由于桥面板参与了下弦受力, 相当于增加了下弦受力面积, 因此提高了桁架竖向刚度。其提高程度可以分析得知, 与桥面板相对于下弦杆的截面积有关[2]。
3、极大提高横向刚度和整体性。
由于下弦杆之间通过整体性极强的桥面板联系在一起, 相较于通常通过下平联杆件连接的桁架, 其横向刚度和整体性都有了相当大的提高, 更有利于承受风荷载等水平作用。
4、提高了结构的动力刚度。
由于上述三点, 板桁组合结构提高了竖向和横向刚度, 但结构质量却并没有特别的变化, 因此竖向或横向一阶自振频率均有不等的提高。对于本项目竖向自振频率提高了10%, 横向自振频率提高了2.6倍。由于人行天桥基本上是以竖向自振频率为控制指标, 故此项优点对于人行天桥的意义颇大。
综上所述, 板桁组合结构能充分利用桥面板承载能力, 提高了桁架结构的整体性, 提高了结构的静动力刚度, 其下平联构造也更加简单。相较板桁分离的构造具有很大的优势。
摘要：结合工程实例, 对板桁组合结构和普通桁架结构的桥梁结构进行对比分析, 提出了板桁组合结构在人行天桥工程中的优点, 为今后类似工程提供有益的经验。
关键词：板桁组合结构,人行天桥
参考文献
[1] 郑凯锋, 刘春彦等.板桁组合结构桥梁及其计算方法的研究[J]第十二届全国桥梁学术会议.1996
[2] 何畏, 李乔.板桁组合结构体系受力特性及计算方法研究[J]中国铁道科学.2001
