某城轨高架车站人行天桥钢桁架结构设计

李士平

（中铁第四勘察设计院集团有限公司 武汉 430063）

0 引言

城市轨道交通是采用轨道结构进行承重和导向的车辆运输系统，依据城市交通总体规划要求，设置全封闭或部分封闭的专用轨道线路，以列车或单车形式，运送相当规模客流量的公共交通方式［1］。

城轨交通系统根据城市情况，可采用多种站型模式。如当采用路中高架车站形式时，车站主体结构由站厅层、站台层、站台雨棚及承轨结构等部分组成［2］；同时，车站两侧需配备跨越城市道路的人行天桥，以连通路侧的附属用房或钢箱梁梯道结构等，以连接天桥与地面［3］，典型路中高架车站效果如图1所示。

图1 典型路中高架车站效果Fig.1 Typical Effect of Elevated Station on the Road

本文以某沿海城市轨道交通工程路中高架车站的人行天桥为工程案例，从多个方面对钢桁架结构人行天桥设计进行总结，相关结构设计经验及建议可供类似工程结构设计参考。

1 工程概况

该高架车站位于某沿海城市，属于路中车站形式，车站位于地面道路的中央绿化带内，车站的二层、三层分别为站厅层和站台层。车站两侧为城市主干道，单向5车道，路侧有绿化带、非机动车道、人行道等。

车站设置人行天桥跨越城市道路，与路侧楼扶梯出入口衔接，其外观如图2所示。

图2 人行天桥与路侧出入口效果Fig.2 The Effect of Pedestrian Bridge and Roadside Entrances and Exits

车站主体结构与出入口结构的边缘净距25.5 m，天桥设置屋面挡雨，屋面结构人形找坡排水，两侧设排水沟；桥面人行通道净宽6.7 m，净高3.2 m，吊顶高1.2 m，桥面采用建筑找坡，结构保持平面。

由于该工程位于沿海地区，且常年遭遇台风天气，易引发二次灾害，故天桥屋面及桥面均采用组合楼板+较厚建筑面层，适当加大自重，以减轻台风的影响。

2 天桥结构选型

目前国内城市道路人行天桥主要采用钢箱梁和钢桁架形式［4］。钢箱梁天桥具有外观庞大、用钢量大、无挡雨顶棚等缺点，而桁架结构跨越能力大，下部行人，上部可兼做顶棚，结构和功能性结合较好［5］。

根据本工程人行天桥的建筑造型，结合结构受力要求，人行天桥结构确定为单跨简支钢桁架结构形式，桁架两端落于牛腿支座之上。天桥立面桁架选用矩形桁架以兼做顶部雨棚，腹杆选用人字式或单斜式，如图3所示。

图3 立面桁架Fig.3 Facade Truss （mm）

方案1中人字式腹杆体系的杆件数和节点数较少，且呈对称布置，结构传力和布置相对更为合理；方案2采用单斜式，一般用于悬挑或具有明显单向传力特征的桁架。但在本工程中，人行天桥立面桁架形式对外立面建筑观感起决定性作用，经沟通和调研当地建筑做法风格，决定采用方案2，即单斜式腹杆，并在车站两侧的天桥对称布置腹杆倾斜方向，以符合建筑要求。

上弦屋面以及下弦桥面均布置横向钢梁及纵向次钢梁，其上为115厚压型钢板组合楼板，结构面上下分别为建筑面层和管线吊顶；两侧布置防跌落栏杆。

3 桁架结构设计

3.1 设计条件

根据现行规范标准及项目设计要求，该天桥结构设计工作年限为50年，结构安全等级为二级，结构重要性系数为1.0，建筑抗震设防类别为标准设防类（丙类）。

⑴恒荷载：结构自重由计算程序自动考虑，屋面附加恒载据实取值5.4 kN/m2，桥面附加恒载据实取值4.3 kN/m2，均不含组合楼板自重。

⑵活荷载：屋面活荷载取0.5 kN/m2，天沟积水线荷载取2.5 kN/m2，桥面活荷载取人群荷载5.0 kN/m2。

⑶雪荷载：50年重现期基本雪压0.35 kN/m2。

怎么构？就是分析条件，由确定条件确定定的点，先构造定的点；对于不能确定的点，寻找这个点相关的条件，基于两个条件进行“双轨迹”构图，两个轨迹的交点就是要确定的点，确定的点即满足条件A，也满足条件B，条件A对应着轨迹a，条件B对应着轨迹b，这个点就是轨迹a与轨迹b的交点，即“双轨迹”构图.

⑷风荷载：50年重现期基本风压0.60 kN/m2，地面粗糙度类别为B类，结构风荷载体型系数参照荷载规范取值。

⑸地震作用：本工程抗震设防烈度6 度，设计基本地震加速度值为0.05g，设计地震分组为第二组，场地类别为Ⅳ类，特征周期Tg=0.75 s。⑹温度作用：计算取值升降温各20 ℃。⑺荷载组合：按规范相关要求执行。

3.2 计算模型

结构整体建模以及计算分析采用同济大学3D3S软件进行，结构整体计算模型如图4所示。

图4 结构整体计算模型Fig.4 Structural Calculation Model

天桥上弦采用400×400×16 矩形管，下弦采用450×400×16 矩形管，腹杆采用直径299×16 无缝钢管，横向钢梁及纵向次梁采用350×200至200×100不等的截面矩形管。钢材均为Q335B 牌号。桁架结构横断面布置如图5所示。

图5 结构横断面布置Fig.5 Layout of Structural Cross Section （mm）

计算模型的下部四角位置设置为支座，一端为铰接，另一端为纵向滑动支座，以释放纵向变形及温度应力。纵向次梁两端设置为铰接节点。

天桥两端设置变形缝各100 mm，支座中心跨度24.90 m，横断面上下弦中心高度5.09 m，左右桁架中心距离7.00 m。

3.3 静力分析

根据程序计算结果，进行规范检验，所有构件最大强度应力比为0.846，最大稳定应力比0.870，结构能够满足承载力极限状态的设计要求。

正常使用极限状态方面，在荷载的标准组合，即恒载+活载的荷载组合下，桁架最大挠度为17.7 mm，小于《钢结构设计标准：GB 50017—2017》［6］的挠度限值L/400=62.25 mm，大于L/1 600=15.56 mm，故设置预拱度，并要求做成圆滑曲线；在活荷载工况下，桁架最大挠度为3.8 mm，小于《城市人行天桥与人行地道技术规范：CJJ 69—95》［7］中的挠度限值L/800=31.13 mm。天桥挠度形态如图6所示。

图6 天桥挠度图Fig.6 Deflection Diagram of Overbridge

3.4 动力特性分析

天桥钢结构的前六阶动力特性如表1及图7所示，其中前五阶振型为水平振动，第六阶振型为竖向振动。

表1 结构基本动力特性Tab.1 Basic Dynamic Characteristics of the Structure

图7 前六阶自振模态Fig.7 The First Six Modes of the Structure

为避免人行激励引起的共振现象，减少行人不安全感，天桥结构竖向自振频率需避开人行步频（1.2～2.5 Hz）［8］，第一阶竖向自振频率不应低于3.0 Hz；根据表1 可知，本工程天桥第一阶竖向自振为3.788 Hz，满足要求。

3.5 天桥支座选择

人行天桥共4 个支座节点，车站侧2 个支座为铰接支座，出入口侧的2 个支座为滑动支座。为了满足设计假定条件，应选择不同的支座类型。

根据程序计算结果，单支座处最大反力设计值约为1 725 kN，出入口侧最大纵向位移约为10 mm。故分别采用双向固定的橡胶盆式支座GPZ（Ⅱ）2GD 和单向滑动（纵向）的橡胶盆式支座GPZ（Ⅱ）2DX，竖向承载能力均为2 000 kN，滑动支座允许位移±50 mm，以释放纵向变形及温度应力，可以满足设计要求。不同支座的高度相差5 mm，可通过不同厚度的垫板加以调平，从而使两端牛腿标高保持一致，可避免施工差错。

4 结语

该人行天桥工程是某沿海城市轨道交通高架车站的附属结构，本文从多个方面对其结构设计进行了总结。

⑴该钢桁架人行天桥结构根据建筑要求、当地做法风格等进行了桁架选型工作，利用了大跨度钢结构的特点，满足建筑功能和外观美化的要求，实现建筑与结构设计的合理统一。

⑵鉴于工程处于沿海台风区，适当加大了屋面及桥面的面层自重。

⑶对静力及动力特性进行了分析，得出了合理结论并择优选择支座类型，本钢桁架天桥满足设计要求。

钢桁架结构的跨越能力较大，而且可兼顾桥面行人空间和屋面雨棚需求，整体功能性和景观性良好，可为其他类似桁架形式的人行天桥工程结构设计提供参考。