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异形空间结构天桥设计与分析

摘要：为了解决常规天桥雨棚造型简单、主梁梁体厚重的问题，坪山实验学校天桥采用独特的异形空间结构雨棚，在立面和断面上分别呈现出不同的景观效果；对常规主梁造型进行优化，利用花槽植物和栏杆磨砂玻璃遮挡梁体，改善其视觉上的厚重感。该天桥造型新颖，受力合理，造价经济，具有一定的推广应用价值，也可为其他天桥项目提供参考。
关键词：异形空间结构；景观天桥；造型设计；结构分析与验算
1. 引言
人行天桥是一种专用于人流通行的立交桥梁，实现了人行交通与车行交通在竖向上互相分离，互不干扰，是一种便捷、安全、舒适的过街方式。据不完全统计深圳市现有人行天桥数量高达500座左右，如此庞大数量的人行天桥，给城市交通创造了便利的同时，也潜移默化地影响了城市的形象。文献[1]列出了天桥美学的三个要素——形式美、功能美、环境协调美，简单地说就是造型美观、功能全面、融入环境，但实地调查发现，现存的大部分天桥功能尚可，却外形普通，很难融入城市的大环境。
本文以深圳市坪山实验学校天桥工程为依托，介绍了在常规桥型的基础上实现的美学造型设计及相应的结构计算分析结果。
1. 工程概况
坪山实验学校天桥位于东校区与南校区之间，上跨市政道路，是学校师生来往于两个校区的快捷通道。上部结构采用简支钢箱梁，桥面总宽8m，其中人行净宽6.5m，两侧各留0.75m作为花槽、栏杆等设施带宽度；钢箱梁计算跨径37.519m，两端各悬挑7.5m分别接入东、南校区二层，总长52.219m。下部结构采用桩接柱式桥墩，无承台设计，可避免迁改管线。天桥立面、断面布置如图1、2所示。

图1 天桥立面布置图（单位：cm）

图2 天桥断面布置图（单位：cm）
1. 结构设计
2.1概念景观方案研究
坪山实验学校坐落于坪山中心区，学校环境优美、师资雄厚、满载荣誉，是一所高水平的学校。作为服务于学校的天桥，其景观要求自然也很高。文献[2]、[3]、[4]介绍了斜拉桥、悬索桥、拱桥等特殊桥型在景观天桥上的应用，这些特殊桥型具有强烈的空间张力和曲线美。在概念方案研究初期阶段，首先尝试了上述特殊桥型，但都因现状条件限制，或无法落地或与环境融合度较差。最终采用了常规桥型并对雨棚和主梁造型进行优化的技术思路，赋予常规桥型一定的空间张力和曲线美。
该天桥景观方案以“大鹏展翅”的概念进行立面设计，寓意前程似锦；以“天圆地方”的概念进行断面设计，寓意为人处世之道——表面随和却内心严正；二者有机结合形成独一无二的景观效果，寓意教书育人、德才兼备，无形中与学校的宗旨完美契合。在立面上，利用多条投影为圆弧形的骨架勾勒出“展翅”之态，而在断面中又将在立面上“展翅”的各条骨架都投影在统一的圆形上，这个圆形与桥面形成“天圆地方”之态。主梁梁体高度受限于天桥跨度，一般无法随意降低，但是本桥概念方案取消常规主梁的翼缘设计，并将花槽下沉，栏杆附着在主梁侧面，利用花槽植物和栏杆磨砂玻璃遮挡梁体，最终在视觉上显得主梁十分轻巧。
2.2 异形空间结构设计
天桥上部结构主梁采用不设翼缘的钢箱梁，在主梁侧面底部设置花槽，在花槽上方、主梁侧面附着栏杆，钢箱梁梁高1.4m，顶宽6.5m，底宽8m。
雨棚空间曲线骨架采用直径为245mm的圆钢管，壁厚20mm；骨架根部通过牛腿与钢箱梁连接，骨架最大跨度25.16m。雨棚纵横梁采用直径为152mm的圆钢管，壁厚10mm，纵梁间距约2m，横梁间距1.8~2.5m。如图3所示。

图3 雨棚结构立面图（单位：cm）
2.3 异形空间结构天桥的特点
相比于常规人行天桥，该天桥在造型、受力、造价等方面均具有一定的优势，具体特点总结如下：
1. 天桥结构新颖，造型独特，立面“大鹏展翅”，断面“天圆地方”，展现了学校区域独特的文化元素，构成了区域的标志性建筑。
2. 解决了常规天桥主梁梁体厚重的问题，巧妙地利用花槽植物和栏杆磨砂玻璃对梁体侧面进行遮挡，使得梁体呈现出更加轻巧的视觉效果。
3. 雨棚以较大跨度的空间曲线骨架作为支撑，其在天桥主梁上的支点更靠近桥墩位置，在一定程度上降低了主梁跨中弯矩，使得主梁受力更加合理。
4. 雨棚骨架尽管是空间曲线，但是其立面和断面投影均为规则的圆曲线，是一种可参数化的美学造型，这使得设计和加工都更加方便。
5. 得益于不设立柱的空间曲线骨架以及圆曲线形横梁更加强大的承载能力，该天桥雨棚用钢量较常规雨棚有所降低。
6. 该天桥空间造型容易实现，结构受力更加合理，造价更加经济，具有一定的推广应用价值。
1. 结构受力分析
3.1 有限元模型的建立
该天桥为异形空间结构，采用大型空间有限元程序桥梁博士V4进行计算分析。计算模型按按照实际结构尺寸建立，钢箱梁和雨棚构件材料均采用Q345C钢材。计算恒载包括结构自重和二期恒载（桥面铺装、栏杆、花槽荷载、顶棚玻璃和装饰荷载），活载包括人群荷载、风荷载、温度作用，其中人群荷载按《城市人行天桥与地道技术规范》（CJJ69-95）取值，风荷载根据《公路桥梁抗风设计规范》（JTG T 3360-01-2018）按深圳地区重现期为100年的基本风速37.5m/s计算。上述荷载按照《公路桥涵设计通用规范》（JTG D60-2015）进行组合，并根据《公路钢结构桥梁设计规范》（JTG D64-2015）以及《城市人行天桥与地道技术规范》（CJJ69-95）进行强度、变形、稳定和自振频率验算。
3.2 结构强度验算

图4 钢箱梁正应力计算结果

如图4所示，作用基本组合下钢箱梁截面最大正应力164Mpa，为跨中上缘压应力，最小正应力89Mpa，为跨中下缘拉应力。厚度16~40mm的Q345钢材抗拉、抗压设计强度设计值均为270Mpa，因此钢箱梁正截面强度满足规范要求。

图5 雨棚骨架正应力计算结果

如图5所示，作用基本组合下雨棚骨架最大正应力186Mpa，最小正应力131Mpa，最大应力出现在骨架与桥面相接处。厚度16~40mm的Q345钢材抗拉、抗压设计强度设计值均为270Mpa，因此雨棚骨架正截面强度满足规范要求。
钢箱梁和雨棚骨架剪应力计算结果亦满足材料抗剪设计强度要求，这里不再一一列出。
3.3 结构变形计算结果
人群荷载作用下钢箱梁跨中计算挠度为21.0mm，悬臂计算挠度为3.5mm。根据《城市人行天桥与地道技术规范》（CJJ69-95）跨中竖向挠度允许值为L/600=37519/600=63mm，悬臂竖向挠度允许值为L1/300=7500/300=25mm，上述计算挠度均小于相应的挠度允许值，因此钢箱梁变形满足规范要求。
3.4 结构稳定计算结果
根据《公路钢结构桥梁设计规范》（JTG D64-2015）的规定，在作用基本组合下，单向受压支座始终保持受压状态，且横向抗倾覆稳定系数不小于2.5。经计算，该桥各支座基本组合支反力未出现负反力，抗倾覆稳定系数3.1，因此该天桥整体稳定性满足规范要求。
3.5自振频率计算结果
经计算该桥上部结构第一阶竖向自振频率为3.36Hz，满足《城市人行天桥与地道技术规范》（CJJ69-95）不小于3Hz的要求。
1. 结语
1. 该天桥的实践证明，赋予常规桥型一定的空间张力和曲线美，同样可以实现不错的景观效果。
2. 该天桥通过异形空间骨架结构在天桥立面和断面上分别呈现出“大鹏展翅”和“天圆地方”的造型，完美契合了学校区域的文化元素。
3. 对常规主梁断面进行适当改造，取消悬臂，花槽下沉，栏杆外置，利用花槽植物和栏杆磨砂玻璃遮挡梁体，减轻其厚重感，景观效果显著。
4. 较大跨度的雨棚骨架将雨棚荷载转移至桥墩附近，减小了钢箱梁跨中的弯矩，结构受力更加合理。受力分析表面该天桥强度、变形、稳定和自振频率均满足规范要求。
5. 该天桥异形空间骨架是一种可参数化的造型，其在立面和断面上的投影均为圆曲线，便于设计和加工。
6. 该天桥空间造型独特，易于实现，结构受力合理，造价经济，且钢结构可实现预制安装，具有良好的推广应用前景，对城市新建天桥和改造旧天桥等项目的景观设计具有一定的参考价值。
参考文献：
1. 彭兴宇.谈孟克河人行桥的美学设计[J].北方交通,2007(6).
2. 陈正斌.城市人行天桥美学造型简析[J].重庆交通大学学报:自然科学版,2007(4).
3. 孙玉颖.建筑美学视角下的人行天桥设计策略研究[D].湖南大学硕士学位论文,2018.
4. 罗美辉,彭崇乾.城市人行天桥造型构思[J].城市道桥与防洪,2016(9).
5. 宋福春,翟雪松.城市人行天桥美学设计[J].北方交通,2020(2).
6. 龚政,蒋少武等.城区复杂环境下人行天桥钢结构吊装施工技术[J].建筑施工,2018.

-全文完-