论文部分内容阅读
摘要：清河火车站配套北枢纽接驳工程中的慢行天桥采用树杈形钢框架结构，本文对天桥的结构体系、结构布置和新型转换节点等关键技术进行了分析研究，研究结果表明：采用此树杈形圆钢管结构体系，天桥整体受力、变形和舒适度均满足规范要求和使用需求，提出一种新型的柱底转换节点，传力直接且设计合理，在静力荷载组合下处于线弹性状态。
关键词：清河站配套北枢纽;树杈形钢结构天桥;转换节点;有限元分析。
0 引言
近年来，随着我国经济水平的发展和人民对美好生活的需求的提高，城市中人行天桥的方案越来越趋向于轻巧且造型复杂的特点[1]。人行天桥多采用钢结构，具有自重轻、结构布置灵活等特点，更容易实现复杂建筑造型，比如长沙梅溪湖城市岛项目采用倒三角形立体桁架和倒三角形立体桁架+单榀索拱结构[2]，南京太平北路天桥采用桅杆式斜拉桥结构体系[3]。
清河火车站配套枢纽工程的慢行天桥采用了树形分叉柱+型钢梁的钢框架结构体系，本文对天桥的结构布置、结构体系和转换节点等关键技术进行了分析研究。
1 工程概况
清河火车站配套枢纽工程位于北京市海淀区清河火车站东侧，连接火车站与周边安宁庄、小米等多个地块，对于承接车站旅客集散、优化周边交通组织，提升步行交通品质都有着重要意义。该工程的天桥全长约339m，宽度为8-10m，要求以轻巧、小截面构件组成的设计单元，创造通透开放、可植栽的结构单元，天桥的预期设计效果见图1，建设中的天桥实际效果见图2。
2 天桥结构体系
清河火车站配套枢纽天桥结构采用树杈形圆管格构柱+H型钢梁的组成的钢框架结构作为主受力体系，天桥最大跨度20m，最大宽度10m，桥面距离地面6m高，天桥柱下端锚固于地面以下2m的地下通廊型钢混凝土转换梁上，桥面施工考虑到高空作业方便，采用钢筋桁架楼承板以免支模。天桥钢结构采用Midas Gen有限元软件进行整体分析，人行天桥的整体模型如图3所示。
3 结构分析研究
3.1 设计参数
天桥结构设计基准期为50年，设计使用年限为50年，结构安全等级为一级，抗震设防烈度为8度，设计基本地震加速度值为0.2g。抗震设防类别为丙类。
天桥桥面恒荷载除钢结构和楼承板自重外，一般位置天桥面层做法为2.5kN/m2，天桥宽度方向的中部花池位置根据种植品种和覆土厚度的不同荷载分别为12kN/m2和22kN/m2，活荷载为人群荷载5kN/m2;风荷载参考《建筑结构荷载规范》（GB 50009-2012）取值，考虑天桥两侧栏板的高度取0.55kN/m;北京市最低基本气温-13℃，最高基本气温36℃，钢结构天桥合拢温度为10℃～20℃，升温工况为30℃，降温工况为-35℃。
3.2 主要构件截面
天桥钢结构采用Q355B级钢材，树杈圆钢管采用?350×20圆钢管，天桥主次梁采用 H800×250×16×20、H600×200×12×16型钢，封边梁采用?350×20圆钢管，天桥桥面板采用120mm厚钢筋桁架楼承板。
3.3 结构静力分析
采用Midas Gen有限元软件，分析了天桥钢结构在恒荷载、人群荷载（单侧布置和满布）、风荷载、温度作用和地震作用等工况下的结构受力、变形状态和舒适度。
在最不利组合工况下单元最大应力比为0.78，满足受力要求，构件应力比分布如下图所示。
由人群荷载计算的主梁跨中最大竖向挠度为13.440mm，小于《人行天桥》规范[4]要求的允许值L/600=33.1mm;由人群荷载计算的悬挑梁悬挑端最大竖向挠度为11.948-3.448=8.5mm，小于规范要求的允许值L/300=12mm。
经计算，多遇地震标准值产生的楼层最大弹性位移角需小于1/250，经计算Y向地震作用下柱顶最大水平位移20.67mm（位移角1/411），X向地震作用下柱顶最大水平位移22.26mm（位移角1/382），均满足要求。
选取主梁自重及桥面铺装等恒荷载作为质量源，经计算钢结构一阶竖向自振频率为3.2721Hz，满足规范规定大于3Hz要求[5]，桥梁使用舒适性满足要求。
4 转换节点有限元分析
天桥钢管柱柱底部支撑于地下通廊结构，若按照一般的插入式柱脚设计，插入深度较深，柱脚短柱配筋较大，会造成地下通廊的顶板结构笨重粗大，且柱底支撑位置混凝土结构的抗冲切受力难以满足。
因此，提出了一种新型的转换连接节点，天桥钢管柱结合地下通廊的顶板型钢混凝土组合梁，在端部与型钢梁整体设计节点，并在圆钢管的下端设置竖向加劲肋，完成天桥荷载向下的传递;并在组合梁纵筋高度设置一道水平加劲肋以焊接梁纵筋，完成梁钢筋的传力，这样的构造可以使传力更加直接，而且省去了笨重的柱脚短柱，转换节点实际形状如图7所示。
考虑到天桥柱底转换节点的复杂性，采用FEA软件对天桥底部的转换节点进行有限元分析。截取出此部分型钢混凝土梁、柱和天桥底柱，根据结构实际尺寸建立钢结构及外包混凝土结构，并划分实体网格，模拟钢结构和混凝土结构的共同作用，最后，在各柱端面施加天桥柱底和转换梁梁端的荷载并进行受力分析（见图8、9）。
对型钢混凝土转换节点进行有限元受力分析可知，在静力荷载组合包络内力下，转换节点型钢应力水平位于30～120Mpa，应力水平最高的部位位于天桥柱与混凝土梁顶的交界面，最大应力为181.6Mpa，因此转换节点的钢构件应力处于线弹性阶段，受力满足要求[6]，如图10所示。
5 结语
根据清河火车站配套枢纽工程天桥的造型要求，建立整体结构模型，对其整体受力性能进行了分析研究，并设计出一种新型的天桥钢柱的转换节点，对此关键技术进行了研究分析。
主要结论如下：
1、树杈形钢管天桥的整体天桥受力、变形和舒适度满足规范要求和使用需求，达到了设计预期效果。
2、新型的鋼管天桥底部柱转换节点，传力更直接，在静力荷载组合下处于线弹性状态。
参考文献
[1] 翁文东.基于建筑美学思想的人行天桥设计思考[J]. 美与时代（城市版）. 2020.
[2] 刘云浪，李建伟等.长沙梅溪湖城市岛结构设计[J].建筑科学. 2020.
[3] 李丰群，李秉南等.南京太平北路人行天桥设计[J]. 黑龙江交通科技， 2020.
[4] CJJ69-1995，城市人行天桥与人行地道技术规范 [S].
[5] 吴嘉伟，李云州，等. 柔性人行天桥舒适度的评价分析[J]. 厦门大学学报（自然科学版）， 2020.
[6] GB50017-2017，钢结构设计标准[S].
作者简介：马瑜杰（1991—），男，工程硕士，中铁工程设计咨询集团有限公司中级工程师。
中铁工程设计咨询集团有限公司 北京 100055
关键词：清河站配套北枢纽;树杈形钢结构天桥;转换节点;有限元分析。
0 引言
近年来，随着我国经济水平的发展和人民对美好生活的需求的提高，城市中人行天桥的方案越来越趋向于轻巧且造型复杂的特点[1]。人行天桥多采用钢结构，具有自重轻、结构布置灵活等特点，更容易实现复杂建筑造型，比如长沙梅溪湖城市岛项目采用倒三角形立体桁架和倒三角形立体桁架+单榀索拱结构[2]，南京太平北路天桥采用桅杆式斜拉桥结构体系[3]。
清河火车站配套枢纽工程的慢行天桥采用了树形分叉柱+型钢梁的钢框架结构体系，本文对天桥的结构布置、结构体系和转换节点等关键技术进行了分析研究。
1 工程概况
清河火车站配套枢纽工程位于北京市海淀区清河火车站东侧，连接火车站与周边安宁庄、小米等多个地块，对于承接车站旅客集散、优化周边交通组织，提升步行交通品质都有着重要意义。该工程的天桥全长约339m，宽度为8-10m，要求以轻巧、小截面构件组成的设计单元，创造通透开放、可植栽的结构单元，天桥的预期设计效果见图1，建设中的天桥实际效果见图2。
2 天桥结构体系
清河火车站配套枢纽天桥结构采用树杈形圆管格构柱+H型钢梁的组成的钢框架结构作为主受力体系，天桥最大跨度20m，最大宽度10m，桥面距离地面6m高，天桥柱下端锚固于地面以下2m的地下通廊型钢混凝土转换梁上，桥面施工考虑到高空作业方便，采用钢筋桁架楼承板以免支模。天桥钢结构采用Midas Gen有限元软件进行整体分析，人行天桥的整体模型如图3所示。
3 结构分析研究
3.1 设计参数
天桥结构设计基准期为50年，设计使用年限为50年，结构安全等级为一级，抗震设防烈度为8度，设计基本地震加速度值为0.2g。抗震设防类别为丙类。
天桥桥面恒荷载除钢结构和楼承板自重外，一般位置天桥面层做法为2.5kN/m2，天桥宽度方向的中部花池位置根据种植品种和覆土厚度的不同荷载分别为12kN/m2和22kN/m2，活荷载为人群荷载5kN/m2;风荷载参考《建筑结构荷载规范》（GB 50009-2012）取值，考虑天桥两侧栏板的高度取0.55kN/m;北京市最低基本气温-13℃，最高基本气温36℃，钢结构天桥合拢温度为10℃～20℃，升温工况为30℃，降温工况为-35℃。
3.2 主要构件截面
天桥钢结构采用Q355B级钢材，树杈圆钢管采用?350×20圆钢管，天桥主次梁采用 H800×250×16×20、H600×200×12×16型钢，封边梁采用?350×20圆钢管，天桥桥面板采用120mm厚钢筋桁架楼承板。
3.3 结构静力分析
采用Midas Gen有限元软件，分析了天桥钢结构在恒荷载、人群荷载（单侧布置和满布）、风荷载、温度作用和地震作用等工况下的结构受力、变形状态和舒适度。
在最不利组合工况下单元最大应力比为0.78，满足受力要求，构件应力比分布如下图所示。
由人群荷载计算的主梁跨中最大竖向挠度为13.440mm，小于《人行天桥》规范[4]要求的允许值L/600=33.1mm;由人群荷载计算的悬挑梁悬挑端最大竖向挠度为11.948-3.448=8.5mm，小于规范要求的允许值L/300=12mm。
经计算，多遇地震标准值产生的楼层最大弹性位移角需小于1/250，经计算Y向地震作用下柱顶最大水平位移20.67mm（位移角1/411），X向地震作用下柱顶最大水平位移22.26mm（位移角1/382），均满足要求。
选取主梁自重及桥面铺装等恒荷载作为质量源，经计算钢结构一阶竖向自振频率为3.2721Hz，满足规范规定大于3Hz要求[5]，桥梁使用舒适性满足要求。
4 转换节点有限元分析
天桥钢管柱柱底部支撑于地下通廊结构，若按照一般的插入式柱脚设计，插入深度较深，柱脚短柱配筋较大，会造成地下通廊的顶板结构笨重粗大，且柱底支撑位置混凝土结构的抗冲切受力难以满足。
因此，提出了一种新型的转换连接节点，天桥钢管柱结合地下通廊的顶板型钢混凝土组合梁，在端部与型钢梁整体设计节点，并在圆钢管的下端设置竖向加劲肋，完成天桥荷载向下的传递;并在组合梁纵筋高度设置一道水平加劲肋以焊接梁纵筋，完成梁钢筋的传力，这样的构造可以使传力更加直接，而且省去了笨重的柱脚短柱，转换节点实际形状如图7所示。
考虑到天桥柱底转换节点的复杂性，采用FEA软件对天桥底部的转换节点进行有限元分析。截取出此部分型钢混凝土梁、柱和天桥底柱，根据结构实际尺寸建立钢结构及外包混凝土结构，并划分实体网格，模拟钢结构和混凝土结构的共同作用，最后，在各柱端面施加天桥柱底和转换梁梁端的荷载并进行受力分析（见图8、9）。
对型钢混凝土转换节点进行有限元受力分析可知，在静力荷载组合包络内力下，转换节点型钢应力水平位于30～120Mpa，应力水平最高的部位位于天桥柱与混凝土梁顶的交界面，最大应力为181.6Mpa，因此转换节点的钢构件应力处于线弹性阶段，受力满足要求[6]，如图10所示。
5 结语
根据清河火车站配套枢纽工程天桥的造型要求，建立整体结构模型，对其整体受力性能进行了分析研究，并设计出一种新型的天桥钢柱的转换节点，对此关键技术进行了研究分析。
主要结论如下：
1、树杈形钢管天桥的整体天桥受力、变形和舒适度满足规范要求和使用需求，达到了设计预期效果。
2、新型的鋼管天桥底部柱转换节点，传力更直接，在静力荷载组合下处于线弹性状态。
参考文献
[1] 翁文东.基于建筑美学思想的人行天桥设计思考[J]. 美与时代（城市版）. 2020.
[2] 刘云浪，李建伟等.长沙梅溪湖城市岛结构设计[J].建筑科学. 2020.
[3] 李丰群，李秉南等.南京太平北路人行天桥设计[J]. 黑龙江交通科技， 2020.
[4] CJJ69-1995，城市人行天桥与人行地道技术规范 [S].
[5] 吴嘉伟，李云州，等. 柔性人行天桥舒适度的评价分析[J]. 厦门大学学报（自然科学版）， 2020.
[6] GB50017-2017，钢结构设计标准[S].
作者简介：马瑜杰（1991—），男，工程硕士，中铁工程设计咨询集团有限公司中级工程师。
中铁工程设计咨询集团有限公司 北京 100055