摘要：随着城市交通的发展，人行天桥在城市交通中起着举足轻重的作用。本文结合铝合金人行桥的使用现状，充分利用铝合金天桥的易扩展性，以某铝合金人行天桥为背景，进行桥体减重、防滑道板和新型栏杆的设计优化，并计算分析该工程结构的安全性及可靠性。
关键词：铝合金；人行天桥；桥体减重；新型栏杆
1 引言
近年来，随着经济发展及城市化速度加快，城市人口和汽车拥有量快速增加，尤其是在中心城区机动车流集中、行人交通相对集中的路段或交叉口，高峰时段交通堵塞，人车矛盾以及人行过街的方便和安全等问题日益突出。城市过街人行天桥的建设可实现人车分流、提高车辆的运行速度、改善交通拥挤状况，在城市交通中起着举足轻重的作用。铝合金结构的人行天桥作为一种新型的桥梁结构，采用铝合金桥梁可以节约材料，减小上部结构自重，降低对基础的要求，同时对于施工不便的跨河及跨越障碍的天桥可直接吊装就位，施工方便快捷，有很广阔的市场前景[1]。因此，本文以某铝合金人行天桥为背景，充分利用铝合金天桥的易扩展性，进行桥体减重、防滑道板和新型栏杆的设计优化，并在此基础上计算分析其结构的安全性及可靠性，设计出具有独特风格的铝合金人行天桥。
2 工程概括
某人行桥位于海口市海秀路，桁架梁最长为31.71m，悬臂端长1.52m，最大跨长30.19m，桥宽4.46m，净宽4m。悬臂端架设梯道。桥梁上部结构采用中承式铝合金桁架梁，纵向共设两片桁架，横向通过桁架片相连，桁架中各杆件的连接均采用不锈钢螺栓连接[2]。人行天桥上部结构全部采用铝合金材料，铝合金材料的自重为2700kg/m3。本工程设计标准：人群荷载3.76kN/m2；桥梁横断面桥宽4.46m，通行净宽4m；横向风压0.9kN/m2；设计平均温度20º，温升20度，温降20度；主桁竖向最大挠度≤L/800；结构竖向自振频率≧3Hz；本场地抗震设防烈度为8度，设计基本地震加速度值为0.30g，地震动反应谱特征周期为0.35s；设计基准期：100年；结构安全等级：一级。
3 设计优化
本工程对桥梁用弦杆和楼梯主梁进行优化设计，优化前桥梁用弦杆和楼梯主梁单重分别为29.03kg/m、41.79 kg/m，优化后桥梁用弦杆和楼梯主梁单重为17.752 kg/m、33.45 kg/m，每米桥梁用弦杆减重11.278Kg，每米楼梯主梁减重8.34Kg，总体上降低天桥重量30%，在保证安全适用的前提下使桥梁更加轻便[3]。
本工程桥面采用一种新型的防滑铣槽，加入新的加工工艺，通过对道板型材采用机械加工的方式使桥面防滑性由传统R10等级提升至R12，从根本上杜绝了传统桥面必须使用PU涂层增强防滑性能对环境造成的不良影响，兼顾员工健康保护工作，避免后期维修费用，真正做到正常使用终身免维修[4]。铝合金天桥传统扶手采用玻璃、钢索等，易损坏。本工程在满足水平推力不小于2.5KN/m要求的情况下，设计新型的扶手栏杆系统，提升了桥梁整体的观赏性，同时避免后期维修费用。
4 主桥设计计算分析
选用有限元分析软件Ansys平台下进行建模和计算，验证结构安全性及可靠性，建立铝合金人行天桥整体模型，采用梁单元模拟各构件，构件之间的连接为铰接。本计算按照使用阶段的最不利情况计算分为6个荷载工况：第1工况结构自重（恒载）；第2工况：桥面板、铺装、栏杆自重（恒载）；第3工况：人群荷载；第4工况：横向风荷载；第5工况：升温；第6工况：降温。
4.1 强度、挠度计算
强度载荷组合：1.1×（1.2×（（1）+（2））+1.4×（3）+0.8×1.4×（4）+0.7×（1.4×（4）+1.4×（6））；结构桁架拱构件挠度按正常使用能力基本组合进行验算：1.0×（3）。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆
上述强度载荷组合下计算桥梁结构位移和应力分布，最大位移为82.2mm，最大应力为78.6Mpa，小于材料的设计强度217MPa，满足规范要求；在结构自重和人群载荷作用下计算结构的竖向变形位移分布，最大竖向位移为-35.8mm，小于L/800，满足设计要求。
4.2 自振频率计算
本工程桥梁自振频率按结构自重和恒载的情况进行计算，组合工况为：
1.0×（（1）+（2））+1.0×（3）。
计算可知，横向一阶弯曲自振频率为0.94HZ，横向二阶弯曲自振频率为2.88HZ，横向三阶弯曲自振频率为5.66HZ，横向侧移、转动弯曲自振频率为6.36HZ，竖向一阶弯曲自振频率为6.82HZ。本桥竖向自振频率6.82Hz≥3Hz，满足规范要求。
稳定性计算
计算重力载荷＋风载、重力载荷＋满布人群载荷和恒载＋半布人群载荷三种工况下的稳定安全系数，重力载荷＋风载工况下前5阶安全系数分别为：27.05、30.18、40.39、44.04、44.34；重力载荷＋满布人群载荷下安全系数分别为：13.79、15.47、20.64、21.51、22.65；恒载＋半布人群载荷下安全系数分别为：6.71、6.72、6.74、6.76、6.86。三种工况下的最小稳定安全系数为6.71，前5阶失稳模态未出现竖向失稳现象，桁架梁纵向稳定性（面内）、横向稳定性（面外）满足要求。
4.4 抗震验算
桥梁抗震能力按结构桁架拱构件强度偶然组合验算，工况组合为E1地震作用：
1.1×（1.2×（（1）+（2））+（1N/m2人群荷载+地震作用）。
计算结构自重和人群载荷作用下的结构应力分布可知最大应力为67.2MPa。将人群载荷等效成质量后加载地震载荷谱，计算可知最大应力为7.2MPa。按照保守的计算方法，将静力作用下的最大结构应力与地震激励下的最大结构应力相加，整个桥梁结构的最大应力为74.4MPa，小于铝合金材料的设计强度，满足规范要求。
4.5 螺栓强度校核
校核节点螺栓的强度，计算整个桥梁结构所有构件的轴力，由于弦杆的轴力并不直接作用在螺栓上，对除弦杆外轴力最大的杆件进行螺栓强度校核。通过计算结果可知：最大轴力出现在桥梁左起第二跨的竖杆上，大小为178kN，连接该下弦杆的为6个16mm螺栓，计算螺栓的应力为148MPa，远小于其允许使用应力，螺栓强度满足设计要求。
5 结论
本工程设计优化桥梁用弦杆和楼梯主梁，降低天桥重量30%，在保证安全适用的前提下使桥梁更加轻便；设计新型的扶手栏杆系统，提升了桥梁整体的观赏性，避免后期维修费用；天桥桥面采用一种新型的X形防滑铣槽，防滑铣槽相互交错，防滑性能等级提升至R12，避免后期维修费用，真正做到正常使用终身免维修。
本工程桥梁上部结构采用中承式铝合金桁架梁，各杆件均采用不锈钢螺栓连接，在进行优化设计基础上计算分析其结构的安全性及可靠性，均满足要求。
参考文献：
[1] 陈宝春，杨亚林，孙潮. 铝桥的应用与发展[J]. 世界桥梁，2004（2）：68-70.
[2] 程明，永久，元清.铝合金结构的连接及其设计方法[J].建筑科学，2006，22（3）：67- 69.
[3] 谢智. 铝合金人行天桥设计优化探讨[J]. 现代物业•新建设，2014，13（6）：158-160.
[4] 程子健，杜晓燕. 铝合金人行天桥设计分析要点[J]. 城市道桥与防洪，2012（3）：67-69.
作者简介：
程龙（1989-），男，山东临沂人，本科。
论文作者:程龙
论文发表刊物:《基层建设》2017年第12期
论文发表时间:2017/8/18
标签：结构论文; 铝合金论文; 载荷论文; 桥梁论文; 人行天桥论文; 工况论文; 桁架论文; 《基层建设》2017年第12期论文;