無豎桿桁架天橋斜桿布置探討

楊立坤

摘要：由于近些年城市交通發展迅速，城市道路等級、道路寬度也逐漸提高，行人過街與道路交通順暢的矛盾也凸顯出來。在行人過街需求較高的地方設置天橋便是可行的解決辦法。本文對無豎桿鋼桁架天橋的斜桿布置進行分析，對幾種斜桿布置形式進行對比，分析這些布置形式對天橋豎向基頻、應力及位移的影響，為日后類似工程的設計提供借鑒。

關鍵詞：天橋 桁架 斜桿 基頻 受力 位移

由于近些年城市交通發展迅速，城市道路建設蓬勃發展，道路寬度越來越寬，設計車速也逐漸提高，行人過街與道路交通順暢的矛盾越來越明顯。為緩解城市道路擁堵，提高交通安全保障，修建天橋便成了首要選擇。城市天橋除了實用性外，景觀需求通常也比較高，鋼桁架天橋輕盈通透、美觀大方，越來越受到親睞。桁架天橋的桿件布置，直接影響到天橋受力性能，現結合實際工程對無豎桿桁架天橋的斜桿布置進行對比分析。

本天橋上跨雙向10車道的城市主干道，中央分隔帶不設墩柱，天橋總長60.95m，上下弦桿中心距3.6m，主桁采用全焊連接方式的無豎桿三角形桁架，節點間距為6.7m。上下弦桿之間設置8對“人”字型斜桿。下平聯采用縱、橫梁加鋼橋面板體系，為了提高人行天橋的橫向剛度，避免人群橫向產生過大的動力效應，上平聯采用K型橫撐體系。主桁下部結構采用矩形鋼柱，柱底采用銷鉸接形式，以減小因為溫度效應對樁基的影響。整體布置如下圖：

圖一：小箱梁中墩斷面

為對比分析，保持桁高、桁寬、各桿件尺寸及邊界條件不變，調整節點間距，即調整“人”字斜桿數量，建立4種模型，各模型信息如下：

表一：分析模型信息

節點間距 斜桿對數 斜桿水平傾角 圖示

模型1 8.9333 6 38

模型2 6.7000 8 47

模型3 5.3600 10 54

模型4 4.4667 12 59

模型全部采用MIDAS2015計算，所有桿件使用梁單元，桿件截面按照實際輸入，自重、二期和人群荷載按實際選取，計算模型如下（限于篇幅只給出一個）：

圖二：計算模型

經計算分析，結果如下：

表二：計算結果匯總

模型1 模型2 模型3 模型4

豎向基頻 3.0038 3.0249 2.9929 2.9431

上弦桿壓應力 111.68 109.56 109.85 111.04

下弦桿拉應力 105.12 93.48 88.41 86.5

斜桿拉應力 89.73 79.19 73.39 69.7

斜桿壓應力 71.86 69.86 69.11 68.61

豎向位移 71.64 70.17 70.88 72.32

一、 豎向基頻趨勢分析

圖表一：豎向基頻趨勢

由上表可以發現，斜桿水平傾角在45度以下時，豎向基頻隨傾角增大而增大，斜桿傾角在45度以上時，豎向基頻隨傾角增大而減小，但頻率變化并不劇烈。

二、 桿件應力趨勢分析

圖表二：桿件應力趨勢

由上表可以發現，上弦桿壓應力對于斜桿布置不敏感，4種模型最大差距不過2MPa。下弦桿拉應力隨節點間距減小明顯降低。節點間距從8.93米變化到4.47米，下懸桿拉應力從105.1MPa降低到86.5MPa。斜桿的拉壓應力隨斜桿水平傾角的增大明顯降低。斜桿的傾角從度變化到59度，斜桿拉應力從89.7MPa降低到69.7MPa，斜桿壓應力從71.9MPa降低到68.6MPa。結論：斜桿的布置會顯著影響下弦桿及斜桿的受力。

三、 豎向位移趨勢的分析

圖表三：豎向位移趨勢

由上表可以發現，豎向位移趨勢恰好與豎向基頻趨勢相反，斜桿水平傾角在45度以下時，豎向位移隨傾角增大而減小，斜桿傾角在45度以上時，豎向位移隨傾角增大而增大。

四、 分析總結

豎向基頻和豎向位移都與橋梁的一個屬性相關——剛度，豎向基頻與剛度正相關，豎向位移與剛度負相關，豎向基頻隨斜桿布置的變化趨勢與豎向位移隨斜桿的變化趨勢相反，則說明斜桿的布置會影響到全橋的剛度：斜桿水平傾角在45度以下時，全橋剛度隨傾角增大而增大，相應的豎向基頻會升高，豎向位移會減小。斜桿傾角在45度以上時，全橋剛度隨傾角增大而減小，相應的豎向基頻會降低，豎向位移會增大。斜桿傾角45度左右時全橋剛度最大。斜桿的布置會影響到下弦桿及斜桿的受力：下弦桿和斜桿的應力隨斜桿水平傾角的增大而單向降低。這種趨勢告訴我們：

1、 盡量不要使斜桿傾角小于45度。在斜桿傾角45度以下時，全橋剛度更小，豎向基頻更低，豎向位移更大，下弦桿和斜桿的應力更大，這顯然不是我們想要的。

2、 斜桿傾角45度以上時，斜桿傾角的確定要綜合選取。這時傾角增大可以優化下懸桿及斜桿的受力，但也會減小全橋的剛度、增加腹桿材料用量，此時便需要我們綜合橋梁的經濟與美觀，找到全橋剛度與桿件受力的完美結合點，設計出更安全、更經濟、更美觀的桁架天橋。

參考文獻：

【1】 劉曉捷 邵忠民 喬宇. 鋼桁架結構在人行天橋中的應用 北京： 北京市市政專業設計院股份公司，2012.

【2】劉尚倫 陳雷. 人行天橋鋼桁架與節點有限元分析

.北京，2011.