中信建筑设计研究总院有限公司 湖北武汉 430010
摘要：随着建筑、交通水平的不断发展，为满足行人过街和景观造型要求，常采用钢结构连桥方式连接各建筑物。武汉市硚口区某项目连桥采用大跨度钢箱梁，将四栋建筑连通，为满足景观轻巧的造型需求，箱梁高度仅为0.595m。本文采用MIDAS软件，对该连桥的强度、刚度、稳定性等进行计算分析。结果表明，该景观连桥强度、刚度、稳定性等均满足要求，设计安全、合理。同时，行人振动分析表明，该结构基频较低，采用TMD调谐质量阻尼器，极大地改善了该连桥的行人舒适度。可为类似结构的设计提供参考。
关键词：大跨；钢结构；连桥；结构设计；TMD
1 工程概况
本连桥位于武汉市硚口区，平面布置类似“之”字形，通过连接标高约6m处的建筑平台（建筑第二层）将四栋建筑（A3、A4、D、E）相连。连桥各跨的跨度在23.5m至51.3m之间不等。在桥梁的连接平台处，设置两个楼梯延伸至街面，便于行人上下桥。
上部结构采用钢平台加钢箱梁的结构形式，下部结构采用异形钢立柱，楼梯采用钢箱梁加钢踏步的结构形式。本连桥通过支座与既有地下结构和建筑地块相连。其中，楼梯与钢柱支座置于地下室顶板预留点，其他平台支座置于建筑二层预留牛腿上。
2 连桥设计特点与难点
该连桥与常规人行桥相比，具有明显的结构特点，现逐一分析如下：
（1）主梁、平台与立柱间通过焊接固结，形成空间框架受力体系。平面“之”字形布置，使荷载对梁体产附加扭矩，对主梁的抗扭性能提出了更高要求。该连桥的所有构件均参与受力，并保持桥体稳定。
（2）高度渐变的钢护栏不仅满足建筑需要，同时参与受力，使得连桥最大跨度51.3m而箱梁高度可以做到仅595mm，受力护栏高度变化范围100mm~2070mm，下图为钢箱梁标准断面图。
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（3）立柱为高脚杯形状，与平台相连处的三角形采光口也是该结构的一个造型亮点与设计难点。立柱通过定制固定铰支座与既有地下结构相连。
（4）由于各建筑物刚度不同，连桥与各建筑间宜采用弱连接方式。该连桥通过定制支座，仅传递竖向荷载至各相接建筑物平台。同时，该连桥与各建筑物间预留150mm的抗震缝。
（5）由基频计算公式可知，结构的基频与跨度、质量成反比，与结构刚度成正比。经计算，该连桥的一阶竖向基频较低，如何改善本连桥的动力特性成为该项目的重难点之一。
3 结构模型与荷载
3.1 计算模型
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采用MIDAS有限元软件进行分析计算，钢箱梁和钢梯采用梁单元模拟，钢平台和异形柱采用板单元模拟。全桥共31555个节点，215个梁单元，35390个板单元。全部构件采用材质Q420D，计算模型如图4所示。
3.2 材料参数
材质采用Q420D钢材：钢材容重：ρ＝7850 kg/m3；弹性模量 E=206000 MPa；热膨胀系数：α=0.000012/℃。
钢材的强度设计值（MPa）
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3.3 设计标准与荷载
（1）设计荷载：人群荷载按规范[1]取用，为4.4 kN/m2；
（3）标准横断面：典型桥梁断面采用全宽4.9m钢箱梁，布置为 0.2m栏杆+4.5m人行道+0.2m栏杆；
（4）设计安全等级：一级；
（5）基本风速：27.7m/s（百年一遇）；
（6）基础变位：基础不均匀沉降，按沉降17mm进行计算。
（7）温度荷载：a.整体升降温。整体温度变化按升温+32℃和降温-25℃考虑计算。
4 计算结果
4.1 结构强度检算
钢箱梁A、B、C和钢梯采用梁单元模拟，同时考虑局部稳定、剪力滞影响，计算表格如下。
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由计算结果可知，应力均小于fd/γ0=320÷1.1=291MPa，满足要求。
平台及异形柱采用板单元进行模拟，计算结果如下表所示。
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由计算结果可知，各平台及异形柱的最大有效应力均小于fd/γ0=320÷1.1=291MPa，满足要求。
4.2 刚度
经计算，人群荷载作用下梁最大位移均小于L/600，满足规范要求。
4.3稳定分析
选择1.0倍自重+1.0倍满跨均布人群荷载，进行结构的几何非线性极限承载力设计，共计算100阶屈曲模态。计算结果表明，100屈曲模态均表现为局部屈曲而未出现结构整体稳定问题。第1阶屈曲因子为3.2，屈曲部位依次在靠近钢柱处的平台下表面，表现为随着荷载的增加局部受压板进入屈曲，为获得更高的1阶屈曲因子，设置构造加劲肋及局部加密隔板，以提高局部屈曲因子。
4 行人舒适度分析
该连桥属于大跨度人行天桥，设计中不仅要对结构的刚度和强度进行有效控制，还需对振动舒适度进行分析。根据规范[1]第2.5.4条，为避免共振，减少行人不安全感，天桥上部结构竖向自振频率不应小于3Hz。
通过时程动力特性分析可知，该桥的动力特性如下：该桥第一阶竖向频率为2.19Hz，第二阶侧频率为2.50 Hz，第三阶竖向频率为3.23Hz。根据该连桥结构特点，如采用加大结构刚度，提高结构竖向频率的办法使其满足舒适性要求，将会增加大量钢材，经济上不合理，且过大的构件截面将占用建筑空间。综合考虑结构特点和减振效率，采用调谐质量消能器（TMD）作为减振元件。
根据计算结果，对C3-C4桥和D-C1桥布置阻尼器，满足行人舒适度要求。原结构竖向最大加速度达到2.12m/s2，超过限值，设置TMD后加速度变为0.12m/s2，减小率达94%。减振效果良好，有效的提高了桥梁的舒适性。
5 结语
（1）该大跨异形连桥造型新颖、独特，可同时满足景观与通行需要。通过MIDAS数值模拟，对结构强度、刚度、稳定性等进行计算分析。计算结果表明，该结构设计安全、合理。
（2）在结构频率较低的情况下，通过采用TMD阻尼器，可有效避免共振问题、极大的改善了行人舒适性，可为类似大跨度的人行连桥提供一定的借鉴及参考。
（3）鉴于该连桥的梁高较低，施工难度较大，精确、有效的控制施工质量是本项目的下一步工作重点。
参考文献：
[1]城市人行天桥与人行地通技术规范：CJJ69-95[S].
[2]公路桥涵设计通用规范：JTG D60-2015[S].
[3]公路钢结构桥梁设计规范：JTG D64-2015[S].
[4]陈政清，华旭刚，人行桥的振动与动力设计[M].北京：人民交通出版社，2009.
[5]李钊，某异形大跨钢人行桥设计研究[J].中国市政工程，2016（6）：12-15.