新型鋁合金連續(xù)剛構人行天橋圖1總體設計

新型鋁合金連續(xù)剛構人行天橋圖1總體設計

1新型材料的選擇目前，人行天橋主要采用鋼結構，其優(yōu)越性明顯，但也面臨著由于腐蝕而造成的長期維護成本高的問題。因此，在材料強度大、耐久性好、景觀效果好的新材料中找不到合適的材料。這對城市人行道橋梁的發(fā)展具有重要意義。鋁合金材料的輕、硬、耐腐、維護成本低、可回收再利用等優(yōu)點正滿足了發(fā)展的需要。2慶春中河鋁人橋2.1鋁合金橋的優(yōu)點慶春中河人行天橋(圖1)位于杭州市核心區(qū)塊的慶春路、中河高架交叉口,為國內首座采用鋁合金材料建造的人行天橋。受中河高架梁底標高的控制以及橋下通行電車的需要,使得該處采用傳統(tǒng)鋼箱梁方案很難實施。本著積極推廣新材料、新結構的精神,采用德國AlMgSi1(F31)ENAW6082T6新型鋁合金材料,并采用“中承式開口桁架梁”這一新型結構來解決標高受限的技術難題,該橋的主要優(yōu)點包括:①重量輕,僅為同體積鋼材的34%,而強度指標同鋼材基本相同,這樣可以大大降低結構自身高度;②鋁合金結構的耐久性好,抗銹蝕能力強,且表面宜于進行拋光處理,不需要類似鋼結構的復雜防腐處理;③整橋易于現(xiàn)場安裝和架設,構件全部采用工廠化制作、場外拼裝成形,由于重量輕,無需特種起重設備即可進行整體吊裝,對道路交通的正常通行干擾少,例如,僅用2個晚上就完成了5座橋梁的整體吊裝,其中36.81m的主橋A僅重11t;④抗疲勞性能好,德國慕尼黑大學專門對鋁橋監(jiān)測的數據庫以及國外的工程實踐都證明,鋁合金橋梁具有很好的疲勞特性,其疲勞曲線的形狀與有色金屬相類似,且遠遠超出了普通應用循環(huán)次數;⑤鋁合金為環(huán)保材料,現(xiàn)在已經可以低成本地全部回收再利用,不會產生建筑垃圾,而且鋁也是地殼中分布最多的金屬元素(約占7.73%),采用電解法很容易獲得。2.2自動扶梯結構慶春中河人行天橋采用德國新型的AlMgSi1(F31)ENAW-6082T6型號鋁合金材料制造,由主橋A和副橋B、C、D、E五跨組成,五跨橋梁均為簡支梁,相互獨立。橋梁平面布置為“工”字形狀(圖2),南北向主橋A平行于中河路,東西向副橋B、C和副橋D、E跨越中河路,在中河路道路中心線附近布置2個橋墩平臺,連接主橋與副橋,行人通過與副橋相接的8臺自動扶梯上、下天橋。南北向主橋A的橋長為36.81m,北側東西向副橋B、C長度分別為27.14m和18.46m,南側東西向副橋D、E長度分別為18.81m和15.71m,結構形式與主橋A相似。主橋A結構見圖3,橋面寬度3.5m,其中通行橋面寬2.5m,兩側0.5m范圍為裝飾用空間。縱向鋁合金制桁架結構為橋跨的主桁。結構為中承式,橋面離主桁上弦桿1.4m,橋面為雙層鋁合金板結構,在上下板之間用鋁制豎向以及斜腹板聯(lián)系。主桁之間采用間距為2.5m的橫向桁架連接,橫向桁架上弦為橋面板的支承結構,橋面與上弦之間焊接。本橋使用的鋁合金材料參數為:彈性模量70GPa、剪切模量27GPa、泊松系數0.3、材料密度2700kg/m3、拉伸強度310MPa、σ0.2為260MPa、容許應力165MPa,應力~應變關系為ε=σ/E+0.002(σ/σ0.2)20。荷載參數:①結構自重;②人群荷載,按CJJ69-95設計規(guī)范取值;③扶欄水平推力為2.5kN/m;④基本風壓為0.476kPa,按迎風面積計算;⑤12級颶風風壓按0.669kPa計算。2.3按人行天橋trt分雖然將鋁合金材料用于人行天橋在國外已有工程實例,但在我國尚屬首次,沒有相應的設計規(guī)范和施工質量驗收規(guī)范。目前,國內人行天橋設計主要是依據1996年頒布實施的《城市人行天橋和人行地道技術規(guī)范》(CJJ69-95),該規(guī)范對設計構造要求主要有2點:①由人群荷載計算的上部結構的最大豎向撓度,以桁架梁為例,該撓度值不應大于L/800(L為計算跨徑);②上部結構自振頻率不應小于3Hz。這2點要求既有安全方面的考慮(撓度限制),也有舒適性的考慮(自振頻率限制),而國外,如德國工業(yè)標準DIN1052對按人群荷載計算的撓度的要求為:①不大于L/300;②若不影響正常使用,業(yè)主沒有特別要求,撓度值可以不受此限制。很顯然,國內外這2種規(guī)范分歧較大?？紤]到國外人行天橋的實際人流量遠低于我國,而慶春路、中河路口的人流量又相當大這一實際情況,完全按德國規(guī)范進行設計并不妥當,但是,考慮到鋁合金屬于新型輕質、高強材料,若完全照搬我國原適用于混凝土、鋼橋的設計規(guī)范CJJ69-95,則要求過于嚴格,而且在很多狀態(tài)下也不盡科學合理。鋁合金橋相對于傳統(tǒng)橋梁有兩大特點,即:①鋁合金人行天橋中恒載約占總重量的30%、活載占70%左右,而傳統(tǒng)橋梁的恒載約占60%、活載占40%左右,顯然,荷載成分發(fā)生了根本性變化,這導致人群荷載作用下鋁合金橋的豎向撓度要大于傳統(tǒng)鋼橋;②由于鋁合金橋的恒載比例小,使得結構自振頻率較高,但當人群荷載作用后,其自振頻率下降比較明顯,這同傳統(tǒng)鋼橋恒載時自振頻率較低,而人群荷載作用后變化不大的規(guī)律是截然不同的。因此,在鋁合金人行天橋設計中,必須考慮這兩方面的特點,并對安全性和舒適性設計構造要求進行完善,以體現(xiàn)經濟性和合理性。為解決這一問題,在慶春中河人行天橋設計中提出如下建議:①按人群荷載計算的最大豎向撓度限制條件要適當放寬,參照建筑大梁的有關規(guī)定,取值為L/400;②考慮到人群荷載遠大于恒載,對上部結構的自振頻率提出更嚴格的要求,即“恒載+30%的人群荷載”共同作用下的“自振頻率”不應小于3Hz;③采用三維彈塑性分析的橋梁極限承載力系數不應小于1.7。2.4各種極限承載力工況為確定該橋的主要力學性能,驗證其安全性及舒適性,對其進行了分析計算和試驗研究。試驗結果表明:①主橋A在滿布4.3kN/m2人群荷載作用下,跨中最大撓度為5.68cm,相當于L/648;恒載單獨作用下的自振頻率為6.5Hz,“恒載+30%人群荷載”共同作用下的“自振頻率”為3.2Hz;②副橋B在滿布4.6kN/m2人群荷載作用下,跨中最大撓度為4.32cm,相當于L/509;恒載單獨作用下的自振頻率為6.4Hz,“恒載+30%人群荷載”共同作用下的“自振頻率”為4.5Hz。為驗證該橋的極限承載力情況,采用ANSYS分析軟件對主橋A和副橋B分別進行了三維彈塑性有限元分析,分析模型見圖4。計算中考慮5種工況,分別為:工況Ⅰ,自重+滿載人群荷載;工況Ⅱ,自重+滿載人群荷載+基本風壓下結構風荷載;工況Ⅲ,自重+1.0kN/m2人群荷載+12級颶風的結構風荷載;工況Ⅳ,橋梁結構自重+半載(偏載)人群荷載+單側水平推力(護欄);工況Ⅴ,自重+滿載人群荷載+單側水平推力。各種工況作用下主橋A、副橋B的極限承載力荷載系數計算結果見表1,取最不利工況下的計算值作為該橋的極限承載力荷載系數設計值,主橋A為1.92,荷載~位移曲線見圖5,副橋B為2.09,荷載~位移曲線見圖6。通過上述分析結果可以看出:該鋁合金天橋的極限承載力系數均大于1.7,滿足鋼橋設計規(guī)范規(guī)定的安全要求;另外,該橋“恒載+30%人群荷載”共同作用下的“自振頻率”仍大于3.0Hz,滿足我國人行天橋規(guī)范CJJ69-95關于舒適性的要求。3鋁合金撓度設計的優(yōu)點隨著各大城市機動車輛的不斷增加,交叉口交通擁擠問題越來越明顯,建設人行天橋不失為一種主要的解決途徑,隨著人們生活水平的提高和城市品味的上升,人們不但關注其功能性要求,更注重其景觀性和耐久性。將鋁合金材料用于人行天橋建設在我國尚處于起步階段,大家對它的研究還不夠全面,再加上鋁合金材料性能本身的不足,這使得在推廣過程中尚有一些問題需要解決:(1)彈性模量(E)較低導致結構剛度(EI)較低,同等水平下的鋁合金結構撓度要明顯大于鋼結構。雖然撓度大本身不是問題,但是由此引發(fā)的局部變形過大和疲勞問題,對結構長期承載,尤其是支座等部位是較為不利的。為了克服這一缺點就必須適當增大截面來提高結構的幾何剛度(I),從而彌補鋁合金物理剛度的不足;另外,也要加快這方面的基礎性研究,以確定人行天橋設計中安全、經濟的撓度控制指標。(2)對鋁合金人行天橋僅僅采用自振頻率來評價行人的舒適度是不夠的,也是不科學的,其設計應由頻率規(guī)定向動態(tài)響應評價轉變。由于鋁合金橋的恒載比例較小,使得結構自振頻率較高,但當人群荷載作用后,其自振頻率下降比較明顯,這使得人少的時候橋梁動力特性較好,但是人多的時候,人、橋的耦合振動效應將有所加強,所以,我們認為,一方面可以通過提高對上部結構自振頻率的要求來避免不舒服,另一方面,需要根據橋梁使用條件下的人、橋耦合振動響應分析以及振動可容許值等來判斷橋梁的舒適性。(3)雙金屬作用對鋁合金結構的腐蝕和焊接導致材料強度的降低。通常,鋁合金可以被全部列在化學序列中鋁以下的全部金屬腐蝕,包括鋼,因此鋁合金人行天橋盡可能都采用鋁合金鉚接,對需要采用螺栓連接的,也盡量采用鋁合金螺栓或經過表面處理的不銹鋼螺栓(表面處理包括氧化、電鍍以及非電解鋅粉覆蓋層等)。4鋁合金在城市人行天橋建設中的應用前景展望(1)鋁合金材料的輕質、高強、耐久以及低維護等諸多優(yōu)點,使得無論從性能上還是造價上都比鋼橋具有明顯的優(yōu)勢,再加上鋁又是地殼中分布最多的金屬元素,采用電解法很容易獲得,因此,鋁合金在今后的城市人行天橋建設中具有廣泛