杜建成，郭繼業(yè)

（珠海市規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院，廣東 珠海519000）

1 引言

張弦梁結(jié)構(gòu)由日本齋藤公男（Masao Saitoh）于1979年提出，是一種區(qū)別于傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的新型大跨結(jié)構(gòu)形式。張弦梁結(jié)構(gòu)由剛性上弦、柔性拉索和中間撐桿組成，是一種自平衡大跨度預(yù)應(yīng)力空間結(jié)構(gòu)體系，也是混合結(jié)構(gòu)體系發(fā)展中一個(gè)比較成功的創(chuàng)造。張弦梁結(jié)構(gòu)體系簡(jiǎn)單、受力明確、結(jié)構(gòu)形式多樣、充分發(fā)揮了剛?cè)?種材料的優(yōu)勢(shì)，并且制造、運(yùn)輸、施工簡(jiǎn)捷方便，具有良好的應(yīng)用前景。鑒于此，某項(xiàng)目人行橋采用張弦梁結(jié)構(gòu)體系。

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

張弦梁總體布置見圖1。上弦采用跨度54.71 m的單箱三室鋼箱梁，梁高0.8 m，寬3 m；拉索采用直徑96 mm高釩密閉索，兩端錨固在主梁上，線形為懸鏈線，跨度50.5 m，最大垂度為4.2 m，垂跨比1/12；撐桿采用P168 mm×8 mm、P152 mm×6 mm鋼管，全橋共設(shè)9道V形撐桿，撐桿間距5.471 m，從跨中向聯(lián)端，V形撐桿夾角由21°漸變到63°。

圖1 張弦梁總體布置圖

設(shè)計(jì)采用的主要材料如下：

1）鋼箱梁、撐桿：Q355C鋼材，彈性模量E=206 GPa；

2）拉索：鋅-5%鋁-稀土合金鍍層密閉高釩索，其抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值fpk=1 570 MPa，彈性模量Ep=160 GPa；

3）支座：GQZ抗震球鉸鋼支座；

4）阻尼器：電渦流調(diào)諧質(zhì)量阻尼器，單個(gè)阻尼器有效運(yùn)動(dòng)質(zhì)量為800 kg。

3 依據(jù)的規(guī)范

1）CJJ 11—2011《城市橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范》（2019年版）；

2）JTG D64—2015《公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范》；

3）JTG D60—2015《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》；

4）CJJ 69—1995《城市人行天橋與人行地道技術(shù)規(guī)范》等。

4 結(jié)構(gòu)驗(yàn)算

4.1 計(jì)算模型

采用Midas Civil 2020軟件進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析，鋼箱梁、撐桿采用梁?jiǎn)卧M，拉索采用桁架單元模擬，按結(jié)構(gòu)實(shí)際支座情況模擬邊界條件，計(jì)算模型見圖2。

圖2 計(jì)算模型

4.2 計(jì)算荷載

1）鋼材容重取78.5 kN/m3；

2）二期荷載按實(shí)計(jì)算；

3）人群荷載按CJJ 11—2011《城市橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范》（2019年版）取值；

4）考慮整體升降溫25℃。

4.3 強(qiáng)度驗(yàn)算

根據(jù)各荷載工況計(jì)算結(jié)果，鋼箱梁、撐桿等構(gòu)件正應(yīng)力最大值為182.6 MPa（＜270 MPa），強(qiáng)度滿足鋼結(jié)構(gòu)規(guī)范要求（見圖3）。拉索正應(yīng)力最大值為448.4 MPa，綜合系數(shù)γs=1 570/448.4=3.5＞3.0，安全系數(shù)滿足要求（見圖4）。

圖3 鋼箱梁、撐桿最大正應(yīng)力（單位：MPa）

圖4 拉索最大正應(yīng)力（單位：MPa）

4.4 剛度驗(yàn)算

在人群荷載作用下，鋼箱梁主梁撓度為88 mm＜54 710/600=91 mm，剛度滿足鋼結(jié)構(gòu)規(guī)范要求（見圖5）。

圖5 人群作用下?lián)隙?/p>

4.5 穩(wěn)定驗(yàn)算

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，各階屈曲模態(tài)臨界荷載系數(shù)均大于4，其中第1階屈曲模態(tài)臨界荷載系數(shù)為15.38＞4，穩(wěn)定均滿足要求（見圖6）。

圖6 屈曲模態(tài)

4.6 舒適度驗(yàn)算

4.6.1 結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性

根據(jù)規(guī)范要求，當(dāng)天橋結(jié)構(gòu)豎向固有頻率大于3 Hz，橫向固有頻率大于1.2 Hz，可不進(jìn)行人致振動(dòng)舒適度驗(yàn)算；當(dāng)天橋結(jié)構(gòu)豎向固有頻率小于3 Hz，橫向固有頻率小于1.2 Hz，應(yīng)進(jìn)行人致振動(dòng)舒適度驗(yàn)算。對(duì)于豎向舒適度，應(yīng)分別驗(yàn)算頻率處于1.25~3 Hz的豎向模態(tài)；對(duì)于橫向舒適度，應(yīng)分別驗(yàn)算頻率處于0.5~1.2 Hz的橫向模態(tài)。

結(jié)構(gòu)第1階、第4階模態(tài)振型見圖7~圖8。模態(tài)1振型為梁豎向振動(dòng)，頻率為1.732 Hz，位于敏感頻率范圍內(nèi)，應(yīng)進(jìn)行人致振動(dòng)舒適度驗(yàn)算；模態(tài)2振型為梁橫向振動(dòng)，頻率為1.913 Hz，不在敏感頻率范圍內(nèi)，可不進(jìn)行人致振動(dòng)舒適度驗(yàn)算；模態(tài)3振型為梁豎向振動(dòng)，頻率為2.923 Hz，位于敏感頻率范圍內(nèi)，應(yīng)進(jìn)行人致振動(dòng)舒適度驗(yàn)算；模態(tài)4振型為梁豎向振動(dòng)，頻率為6.534 Hz，不在敏感頻率范圍內(nèi)，可不進(jìn)行人致振動(dòng)舒適度驗(yàn)算。模態(tài)5及更高階模態(tài)的頻率均大于3 Hz，可不進(jìn)行人致振動(dòng)舒適度驗(yàn)算。

圖7 模態(tài)1振型：梁豎向振動(dòng)，頻率1.732H z

圖8 模態(tài)4振型：梁豎向振動(dòng)，頻率6.534H z

4.6.2人致振動(dòng)分析

按表1進(jìn)行人致振動(dòng)分析。

表1 動(dòng)力設(shè)計(jì)工況及相應(yīng)的舒適級(jí)別

模態(tài)1、模態(tài)3各設(shè)計(jì)工況下的行人簡(jiǎn)諧波荷載見表2。

表2 行人簡(jiǎn)諧波荷載

模態(tài)1、模態(tài)3在各設(shè)計(jì)工況下的最大加速度和舒適級(jí)別見表3。

表3 最大加速度和舒適級(jí)別

4.6.3 TMD減振設(shè)計(jì)

對(duì)于模態(tài)1，在跨中設(shè)4個(gè)TMD減振，對(duì)于模態(tài)3，在1/4跨處各設(shè)1個(gè)TMD減振。加裝TMD后，模態(tài)1、模態(tài)3各設(shè)計(jì)工況下的最大加速度和舒適級(jí)別見表4，舒適級(jí)別滿足要求。

表4 加裝TM D后最大加速度和舒適級(jí)別

5 結(jié)語

本項(xiàng)目人行橋采用張弦梁結(jié)構(gòu)體系，具有以下優(yōu)點(diǎn)：

1）可顯著節(jié)省鋼材。本橋用鋼量指標(biāo)為112 kg/m2，遠(yuǎn)低于常規(guī)的市政鋼箱梁用鋼量指標(biāo)（400~550 kg/m2）；

2）張弦梁的構(gòu)件內(nèi)力可以自平衡，除豎向反力外，不會(huì)對(duì)支承結(jié)構(gòu)造成水平推力，減輕了支承結(jié)構(gòu)的負(fù)擔(dān)；

3）上弦鋼箱梁與拉索之間只有豎向腹桿，不存在斜腹桿，結(jié)構(gòu)構(gòu)成簡(jiǎn)潔，傳力路徑明確，結(jié)構(gòu)型式輕盈，富有建筑表現(xiàn)力；

4）張弦梁結(jié)構(gòu)體系在本項(xiàng)目的應(yīng)用，為其他類似項(xiàng)目的設(shè)計(jì)提供一定的參考價(jià)值。