新型铝合金连续刚构人行天桥图1总体设计

新型铝合金连续刚构人行天桥图1总体设计

1新型材料的选择目前，人行天桥主要采用钢结构，其优越性明显，但也面临着由于腐蚀而造成的长期维护成本高的问题。因此，在材料强度大、耐久性好、景观效果好的新材料中找不到合适的材料。这对城市人行道桥梁的发展具有重要意义。铝合金材料的轻、硬、耐腐、维护成本低、可回收再利用等优点正满足了发展的需要。2庆春中河铝人桥2.1铝合金桥的优点庆春中河人行天桥(图1)位于杭州市核心区块的庆春路、中河高架交叉口,为国内首座采用铝合金材料建造的人行天桥。受中河高架梁底标高的控制以及桥下通行电车的需要,使得该处采用传统钢箱梁方案很难实施。本着积极推广新材料、新结构的精神,采用德国AlMgSi1(F31)ENAW6082T6新型铝合金材料,并采用“中承式开口桁架梁”这一新型结构来解决标高受限的技术难题,该桥的主要优点包括:①重量轻,仅为同体积钢材的34%,而强度指标同钢材基本相同,这样可以大大降低结构自身高度;②铝合金结构的耐久性好,抗锈蚀能力强,且表面宜于进行抛光处理,不需要类似钢结构的复杂防腐处理;③整桥易于现场安装和架设,构件全部采用工厂化制作、场外拼装成形,由于重量轻,无需特种起重设备即可进行整体吊装,对道路交通的正常通行干扰少,例如,仅用2个晚上就完成了5座桥梁的整体吊装,其中36.81m的主桥A仅重11t;④抗疲劳性能好,德国慕尼黑大学专门对铝桥监测的数据库以及国外的工程实践都证明,铝合金桥梁具有很好的疲劳特性,其疲劳曲线的形状与有色金属相类似,且远远超出了普通应用循环次数;⑤铝合金为环保材料,现在已经可以低成本地全部回收再利用,不会产生建筑垃圾,而且铝也是地壳中分布最多的金属元素(约占7.73%),采用电解法很容易获得。2.2自动扶梯结构庆春中河人行天桥采用德国新型的AlMgSi1(F31)ENAW-6082T6型号铝合金材料制造,由主桥A和副桥B、C、D、E五跨组成,五跨桥梁均为简支梁,相互独立。桥梁平面布置为“工”字形状(图2),南北向主桥A平行于中河路,东西向副桥B、C和副桥D、E跨越中河路,在中河路道路中心线附近布置2个桥墩平台,连接主桥与副桥,行人通过与副桥相接的8台自动扶梯上、下天桥。南北向主桥A的桥长为36.81m,北侧东西向副桥B、C长度分别为27.14m和18.46m,南侧东西向副桥D、E长度分别为18.81m和15.71m,结构形式与主桥A相似。主桥A结构见图3,桥面宽度3.5m,其中通行桥面宽2.5m,两侧0.5m范围为装饰用空间。纵向铝合金制桁架结构为桥跨的主桁。结构为中承式,桥面离主桁上弦杆1.4m,桥面为双层铝合金板结构,在上下板之间用铝制竖向以及斜腹板联系。主桁之间采用间距为2.5m的横向桁架连接,横向桁架上弦为桥面板的支承结构,桥面与上弦之间焊接。本桥使用的铝合金材料参数为:弹性模量70GPa、剪切模量27GPa、泊松系数0.3、材料密度2700kg/m3、拉伸强度310MPa、σ0.2为260MPa、容许应力165MPa,应力~应变关系为ε=σ/E+0.002(σ/σ0.2)20。荷载参数:①结构自重;②人群荷载,按CJJ69-95设计规范取值;③扶栏水平推力为2.5kN/m;④基本风压为0.476kPa,按迎风面积计算;⑤12级飓风风压按0.669kPa计算。2.3按人行天桥trt分虽然将铝合金材料用于人行天桥在国外已有工程实例,但在我国尚属首次,没有相应的设计规范和施工质量验收规范。目前,国内人行天桥设计主要是依据1996年颁布实施的《城市人行天桥和人行地道技术规范》(CJJ69-95),该规范对设计构造要求主要有2点:①由人群荷载计算的上部结构的最大竖向挠度,以桁架梁为例,该挠度值不应大于L/800(L为计算跨径);②上部结构自振频率不应小于3Hz。这2点要求既有安全方面的考虑(挠度限制),也有舒适性的考虑(自振频率限制),而国外,如德国工业标准DIN1052对按人群荷载计算的挠度的要求为:①不大于L/300;②若不影响正常使用,业主没有特别要求,挠度值可以不受此限制。很显然,国内外这2种规范分歧较大。考虑到国外人行天桥的实际人流量远低于我国,而庆春路、中河路口的人流量又相当大这一实际情况,完全按德国规范进行设计并不妥当,但是,考虑到铝合金属于新型轻质、高强材料,若完全照搬我国原适用于混凝土、钢桥的设计规范CJJ69-95,则要求过于严格,而且在很多状态下也不尽科学合理。铝合金桥相对于传统桥梁有两大特点,即:①铝合金人行天桥中恒载约占总重量的30%、活载占70%左右,而传统桥梁的恒载约占60%、活载占40%左右,显然,荷载成分发生了根本性变化,这导致人群荷载作用下铝合金桥的竖向挠度要大于传统钢桥;②由于铝合金桥的恒载比例小,使得结构自振频率较高,但当人群荷载作用后,其自振频率下降比较明显,这同传统钢桥恒载时自振频率较低,而人群荷载作用后变化不大的规律是截然不同的。因此,在铝合金人行天桥设计中,必须考虑这两方面的特点,并对安全性和舒适性设计构造要求进行完善,以体现经济性和合理性。为解决这一问题,在庆春中河人行天桥设计中提出如下建议:①按人群荷载计算的最大竖向挠度限制条件要适当放宽,参照建筑大梁的有关规定,取值为L/400;②考虑到人群荷载远大于恒载,对上部结构的自振频率提出更严格的要求,即“恒载+30%的人群荷载”共同作用下的“自振频率”不应小于3Hz;③采用三维弹塑性分析的桥梁极限承载力系数不应小于1.7。2.4各种极限承载力工况为确定该桥的主要力学性能,验证其安全性及舒适性,对其进行了分析计算和试验研究。试验结果表明:①主桥A在满布4.3kN/m2人群荷载作用下,跨中最大挠度为5.68cm,相当于L/648;恒载单独作用下的自振频率为6.5Hz,“恒载+30%人群荷载”共同作用下的“自振频率”为3.2Hz;②副桥B在满布4.6kN/m2人群荷载作用下,跨中最大挠度为4.32cm,相当于L/509;恒载单独作用下的自振频率为6.4Hz,“恒载+30%人群荷载”共同作用下的“自振频率”为4.5Hz。为验证该桥的极限承载力情况,采用ANSYS分析软件对主桥A和副桥B分别进行了三维弹塑性有限元分析,分析模型见图4。计算中考虑5种工况,分别为:工况Ⅰ,自重+满载人群荷载;工况Ⅱ,自重+满载人群荷载+基本风压下结构风荷载;工况Ⅲ,自重+1.0kN/m2人群荷载+12级飓风的结构风荷载;工况Ⅳ,桥梁结构自重+半载(偏载)人群荷载+单侧水平推力(护栏);工况Ⅴ,自重+满载人群荷载+单侧水平推力。各种工况作用下主桥A、副桥B的极限承载力荷载系数计算结果见表1,取最不利工况下的计算值作为该桥的极限承载力荷载系数设计值,主桥A为1.92,荷载~位移曲线见图5,副桥B为2.09,荷载~位移曲线见图6。通过上述分析结果可以看出:该铝合金天桥的极限承载力系数均大于1.7,满足钢桥设计规范规定的安全要求;另外,该桥“恒载+30%人群荷载”共同作用下的“自振频率”仍大于3.0Hz,满足我国人行天桥规范CJJ69-95关于舒适性的要求。3铝合金挠度设计的优点随着各大城市机动车辆的不断增加,交叉口交通拥挤问题越来越明显,建设人行天桥不失为一种主要的解决途径,随着人们生活水平的提高和城市品味的上升,人们不但关注其功能性要求,更注重其景观性和耐久性。将铝合金材料用于人行天桥建设在我国尚处于起步阶段,大家对它的研究还不够全面,再加上铝合金材料性能本身的不足,这使得在推广过程中尚有一些问题需要解决:(1)弹性模量(E)较低导致结构刚度(EI)较低,同等水平下的铝合金结构挠度要明显大于钢结构。虽然挠度大本身不是问题,但是由此引发的局部变形过大和疲劳问题,对结构长期承载,尤其是支座等部位是较为不利的。为了克服这一缺点就必须适当增大截面来提高结构的几何刚度(I),从而弥补铝合金物理刚度的不足;另外,也要加快这方面的基础性研究,以确定人行天桥设计中安全、经济的挠度控制指标。(2)对铝合金人行天桥仅仅采用自振频率来评价行人的舒适度是不够的,也是不科学的,其设计应由频率规定向动态响应评价转变。由于铝合金桥的恒载比例较小,使得结构自振频率较高,但当人群荷载作用后,其自振频率下降比较明显,这使得人少的时候桥梁动力特性较好,但是人多的时候,人、桥的耦合振动效应将有所加强,所以,我们认为,一方面可以通过提高对上部结构自振频率的要求来避免不舒服,另一方面,需要根据桥梁使用条件下的人、桥耦合振动响应分析以及振动可容许值等来判断桥梁的舒适性。(3)双金属作用对铝合金结构的腐蚀和焊接导致材料强度的降低。通常,铝合金可以被全部列在化学序列中铝以下的全部金属腐蚀,包括钢,因此铝合金人行天桥尽可能都采用铝合金铆接,对需要采用螺栓连接的,也尽量采用铝合金螺栓或经过表面处理的不锈钢螺栓(表面处理包括氧化、电镀以及非电解锌粉覆盖层等)。4铝合金在城市人行天桥建设中的应用前景展望(1)铝合金材料的轻质、高强、耐久以及低维护等诸多优点,使得无论从性能上还是造价上都比钢桥具有明显的优势,再加上铝又是地壳中分布最多的金属元素,采用电解法很容易获得,因此,铝合金在今后的城市人行天桥建设中具有广泛