钢箱梁人行天桥设计中的几个重要问题

钢箱梁人行天桥设计中的几个重要问题
李永利1 庞吉莲2
摘要：从钢箱梁结构设计以及天桥选址处地上、地下现场情况与主体结构的结合、天桥人性化设计等几方面总结了钢箱梁人行天桥设计时需要注意的几个问题，并对人行天桥前期的设计模式及流程提出了合理化建议。
关键词：钢箱梁；人行天桥；设计模式及流程
1 引言
城市人行天桥主要是为了解决过街人流与道路车流之间的矛盾，因此通常设计在人流、车流量均比较大的地方，例如学校、商场、居民区、公交车站以及道路交叉口等，从而保障行人的过街安全、提高车行效率并有效减少事故的发生。钢箱梁人行天桥作为钢结构天桥的一种，相比较原始的钢筋混凝土梁式桥具有梁截面小、自重轻、抗震性好、施工方便快捷、易于周围环境结合等优点，目前正越来越多的被采用[2]。在进行一个完整流程的钢箱梁天桥设计时，许多重要问题值得引起设计者的足够重视，一些设计方法和模式也需要进一步地讨论和完善。
2 结构设计
2.1 荷载组合
在进行钢箱梁的结构设计时，主要考虑人行荷载、箱梁自重、桥面铺装、栏杆荷载、风荷载、雪荷载以及温度荷载等几种荷载的影响，并根据天桥的实际情况选取最不利荷载组合进行结构计算。一般来说，除了造型或功能方面有特殊要求的天桥，大部分人行天桥不设置顶棚，一是为了减少雨雪天气时行人在天桥上的驻留，避免天桥承受极限荷载；二是很大程度上减轻了天桥的清洁和维护工作。很多天桥都采用透明耐力板、钢化玻璃等材料作为顶棚，但人行天桥一般位于交通较发达地区，环境质量较差，因此天桥顶棚极易堆积大量的灰尘，若不经常清洗，就会使顶棚不再具有通透、明亮的效果，影响整个天桥的美观。当天桥上有大面积广告位或天桥造型有较大的迎风面时，应考虑风荷载与其他荷载的组合情况，除此之外风荷载对箱梁的影响较小。温度荷载分别按照升温20℃和降温20℃进行计算，这对于跨度越大的天桥影响越大。还应注意的是，按照《城市人行天桥及人行地道技术规范》(CJJ69-95)的规定，栏杆荷载不与其他荷载进行组合。
2.2 自振频率
跨中截面的结构特性以及桥墩的综合刚度是影响结构自振频率的主要因素。可以通过增加箱梁高度和底缘的宽度、增大墩柱截面或桩径、增强墩或基础刚度、墩梁固结等措施提高结构的自振频率，使其满足规范3Hz的要求。不过有设计者指出，这个要求对于跨度大的天桥要求过高，会大大增加材料用量，并提出了计算不同桥型、活载、自重及跨度的天桥其限制频率的计算公式，保证天桥设计既安全可靠又节约材料。公式中为人行荷载的频率，取为2Hz，p为均布自重，为梁跨度，梁板式主梁跨中n取600，悬臂端取300。当主桥的自振频率与行人步行频率较接近时，会引起主梁的振动和挠度过大，使行人感到不适并危及天桥的安全[3]。因此天桥自振频率是人行天桥结构设计中一个非常重要的指标，应该引起设计者的足够注意。
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2.3 主桥材料
钢箱梁设计时主要根据建筑造型以及结构安全等方面要求采用Q235B及Q345B级钢材，但桥梁钢(Q345D)、铝合金等一些新型的材料也逐渐开始在设计中采用。Q345D桥梁钢是专门用于铁路或公路桥梁的一种钢材，具有较高的强度、良好的韧性以及抗疲劳和抗冲击性能。但桥梁钢比普通钢材价格高的多，会大大增加工程造价，而对天桥结构性能方面的提高并不十分明显。因此作者认为从一定程度上来讲，Q345D桥梁钢并不适合作为人行天桥钢箱梁的主要材料。铝合金材料在汽车、航天、机械制造以及建筑门窗等方面已经得到较广泛的应用，它具有良好的塑性和较小的密度，能有效减小结构自重，强度方面可以接近甚至超过优质钢。虽然铝合金材料比钢材贵很多，但其耐磨、耐久性好、美观且易清洗，能够大大减少后期维护的费用，所以综合效益也比较好，杭州、上海等多个地方都已经有铝合金天桥建成。与铝合金天桥结构相对应的技术规范与规程目前还未出台，这给铝合金天桥的设计、施工、验收和审查工作都带来了极大的不便。
3 天桥选址
城市人行天桥选址时，除了要考虑所在处的人流、车流量，还要结合当地10~20年内的城市规划情况，避免出现天桥妨碍道路规划的问题。天桥建设时还要注意地下部分与管线的协调，否则不但会给管线迁移带来很大的麻烦，增加资金投入，还会影响天桥的整体造型。还应注意的是，为了让城市人行天桥能够发挥最大的作用，还应充分考虑行人的心理，不能超过行人所能承受的最大绕行距离，所以在天桥建设前要进行天桥两边的人流量调查。
4 天桥的人性化设计
4.1 梯道设计
为了方便残疾人、老年人以及儿童上下桥，很多天桥都设置了自动扶梯或者上下直梯。在设置电梯时，除了考虑场地平面限制和工程造价等方面的问题，还应注意使电梯位于上桥人数较多的一面，从而提高电梯的使用率，充分发挥电梯的使用功能；在条件允许的情况下，尽量设置上下两个方向的电梯，做到“管上也管下”的人性化服务。自行车坡道应根据过街天桥所在处人流的特点进行设计，坡道上下口位置的设置以及坡道形式要符合人的行走习惯，并且还需要有足够的引导措施保证行人的通行。根据规范的要求，自行车坡道的坡度一般不超过1：4，天桥梯道处高度大多大于4.5m，因此通长的自行车坡道一般都大于18m，这就对场地平面提出了很高的要求，设计时应充分分析坡道设置的必要性和效果。梯道踏步宽度不小于30cm，高度不大于15cm，且两者符合2h+T=60cm的关系，宽度36cm，高度12cm的踏步被认为较常采用，但宽度30cm，高度15cm的踏步行走起来更舒适，尤其是对于老年人来说。梯道的铺装材料除了要与天桥整体风格相搭配，更重要的是要从实用功能方面考虑，要具有防滑耐磨、易清洗、与梯道主体材料结合好、维修更换方便的特点。目前常用的防滑塑胶地板、彩色防滑材料、橡胶面砖、防滑地砖等铺装材料在与钢结构梯道结合以及维修更换方面都存在一定的问题，仍需要进一步改进。
4.2景观设计
这也是天桥人性化设计的一个重要方面，主要包括桥上、桥下以及梯道口处的景观设计。为了使人行天桥不仅成为人们通行的一种工具，同时也是城市中的一道风景，越来越多的美学元素被添加在天桥设计中。天桥墩柱通常设置在绿化带中，因此在桥上适当以绿色植物盆景等进行点缀，能够实现与下部环境的相互呼应。梯道口处景观设计通常按照建筑小品的风格来定义，石桌、石凳、盆景、雕塑等小型装饰物均可在该处加以运用，目的即是让行人在通行时也有一种美的享受，也起到了引导行人上下桥的作用。
5 天桥前期设计
很多人行天桥在设计时都会出现多次返工、多次修改的问题，这与一般的民用与工业建筑设计非常不同。笔者认为主要原因在于天桥前期设计时没有进行妥善的流程安排和缺少各设计方、施工方及管理方的交流沟通，特别是建筑设计、结构设计与天桥现场勘查管理方面存在一定的矛盾，例如，现场管线资料与地质勘查资料情况滞后、建筑造型结构较难实现等，都会造成施工图的不断变更。因此按照一个合理的流程和规范模式进行天桥设计，不仅能保证设计因素的完整和结构的安全，同时也可以提高设计效率，节约人力和财力。
6 结论
钢箱梁人行天桥设计时结构上既要保证安全可靠，也要考虑经济性和施工方便；天桥的前期设计是非常重要的，需要有合理的设计流程和模式，充分利用地质勘查、城市平面规划、地下管线布置以及人流车流量调查等资料和设计各方的广泛交流，避免多次的返工和修改。