1 引言

在现代城市中，环形天桥在城市大型交叉口的应用十分普遍。环形天桥属于曲线桥梁，结构受力具有弯-扭耦合的特征，在竖向荷载作用下弯矩、扭矩和变形比同跨径直线桥大，内外缘受力和变形不均匀，且曲率半径越小，该效应越明显^[1]。而钢结构箱梁由于具有强度高、质量轻、抗弯和抗扭能力强、整体稳定性好的特点，广泛应用于大跨度曲线桥梁建设。本文以某钢结构环形人行天桥为背景，对控制结构设计的关键因素进行分析探讨。

2 工程背景

本文介绍人行天桥位于菏泽市。主桥平面为直径84m的圆环，中心线周长265.9m，桥面宽度4.5m。在主桥西北、东北、东南、西南方向分别设A、B、C、D四个坡道桥跨越地面辅道，通过人行梯道和无障碍坡道与地面慢行系统相接。四个坡道桥分别长34.25m、148.55m、33.02m、115.75m，桥面宽度3.5m。

图1 桥梁平面图

主桥在交叉路口导流岛处设8个桥墩，跨径组合为40.5+36.5+34.5+23.8+40.8+36+30.794

+21=263.9m。上部结构采用钢箱梁，截面为单箱单室，梁高1.5m。主桥顶面宽4.5m，底面宽2.5m，箱室宽2.2m。坡道桥顶面宽3.5m，底面宽2.3m，箱室宽2.0m。桥墩采用直径1m钢管独柱墩，基础为1.5m钻孔灌注桩。

3 环形天桥设计关键因素

人行桥的结构设计，除需满足结构承载力要求外，结构刚度和动力特性也是的需要考虑的重要因素。我国规范规定，梁式桥跨中活载挠度不应大于L/600，竖向自振频率不应大于3Hz^[2]，部分地方规范中还规定横向自振频率不大于1.2Hz^[3]。不论活载挠度还是自振频率，本质都是为满足桥梁使用舒适性的要求。影响梁式桥结构刚度和动力特性的因素主要为结构材料、跨径、梁高和支承方式。相关研究表明梁式桥跨度大于40m时，自振频率成为结构设计的决定性因素^[4]。提高桥梁的自振频率最有效的手段是减轻自重和提高结构刚度，后者通常采用改变梁高、缩短跨径、墩梁固结等方法。在设计连续大跨桥梁时，为减小整体温度作用，通常隔一定距离设伸缩缝，而文献[1]的研究指出环形天桥上部主梁闭合成连续圆环时，其力学状态有显著改善。

4 结构方案拟定

基于上述关键因素分析，结合本桥总体布置，在结构设计时重点对主梁是否闭合成连续圆环以及墩梁支承方式进行研究，共拟结构方案两组共5种，见表1。通过第一组和第二组的对比，研究主梁闭合与否对结构受力的影响。通过第一组内方案①和②对比，以及第二组内方案③、④和⑤的对比，研究支承方式的影响。

表1 桥梁结构比选方案

图2 桥梁结构方案示意图

5 结构计算分析

采用midas/civil建立杆系有限元模型，对上述结构方案进行计算，并对主梁应力、活载挠度、自振频率、桥墩和基础受力、桥梁抗震等控制性指标进行比较分析。为准确反应结构整体力学特性，计算模型中建立了桥墩单元，桥墩采用Q355钢管柱，直径1m，壁厚30mm。利用弹性连接通过释放活动方向的自由度以模拟支座，桩基采用一般弹性支承模拟，基础刚度根据规范用“M法”计算。

图3 midas/civil有限元计算模型

5.1 桥梁上部结构计算结果分析

表2 桥梁上部结构主要计算结果

根据表2计算结果，第一组的主梁应力、活载挠度均明显更大，自振频率离规范限值差距较大，过渡墩支座均出现拉拔力（即支座脱空），且经过试算发现支座脱空无法通过调整墩柱偏心消除，需采取压重、抗拉支座或采用单支点支承^[5]的方式，但可能会造成梁端扭转变形过大，影响桥梁的使用性能。第二组主梁应力、活载挠度、振动频率等方面均优于第一组，其中方案⑤满足规范自振频率大于3Hz的要求，使用性能最好。主梁弯矩方面，第一组由于伸缩缝的存在，主梁内力分布类似连续梁边跨，跨中正弯矩和墩顶负弯矩都比第二组更大。而第二组主梁闭合成连续圆环，各跨主梁受力状态更接近连续梁中跨，正负弯矩分配更加均匀。分别对第一组和第二组方案进行对比可发现，桥墩对主梁约束程度越强，最主梁受力越有利，桥梁整体刚度越高，挠度和频率等适用性能越好。

5.2 桥墩内力计算结果分析

由竖向力柱状图可知桥墩的竖向力大小与相邻两跨主梁跨径有较大相关性，由于伸缩缝的存在，第一组方案桥墩竖向力更多集中于固定墩，第二组方案桥墩竖向力则相对均匀。水平力方面，第一组桥墩基本组合水平力较小，各墩相差不大，说明伸缩缝确能减小温度效应。第一组固定墩地震组合水平力比过渡墩大得多，说明地震荷载主要由固定墩承担。第二组各方案桥墩基本组合水平力随墩梁约束程度的增加而增大，地震组合下方案⑤桥墩水平力的离散性更高。注意到弯矩柱状图中，方案②的固结墩以及方案⑤的所有桥墩弯矩偏大，系由墩梁固结使主梁纵桥向弯矩向桥墩传递所致。而且由于计算模型考虑基础刚度，墩身弯矩从墩顶至墩底趋于减小，符合采用弹性支撑的门式刚架的受力特征。总体而言，无论基本组合还是地震组合，方案⑤桥墩的受力都是最不利的。

5.3 基础受力计算结果分析

计算结果显示各方案基础竖向力和水平力的分布与桥墩基本一致，弯矩则稍有不同。第一组方案过渡墩基础弯矩较墩柱有所减小，固定墩基础弯矩与墩柱基本相当，地震组合下方案①各墩基础弯矩较墩柱弯矩都增大，且过渡墩增幅比固定墩更大，方案②过渡墩基础弯矩与方案①变化一致，固定墩基础弯矩则表现为减小。

第二组方案③基础弯矩较墩柱均等比增大。方案④各基础弯矩变化与桥墩前后两跨主梁的跨径有较大相关性。方案⑤基础弯矩比墩柱大幅减小。从荷载值上看，基本组合下，方案②固定墩基础受力最不利，地震组合则是方案③基础受力最不利。方案①基本组合基础弯矩较小，地震组合固定墩弯矩较大。方案④和⑤基本组合基础弯矩相差不大，但地震组合下方案⑤基础弯矩较方案④显著减小。总体而言，方案⑤基础的受力较为有利。

6 结构方案比选

通过上述对各方案计算结果进行分析，可知主梁闭合成连续圆环对上部结构受力更有利，其中墩梁全固结方案⑤不仅自振频率满足规范要求，而且避免了支座脱空，使用性能最好。其他方案自振频率均不能满足规范要求，而方案①和②还需解决支座脱空的问题。桥墩方面，方案⑤由于墩梁固结，桥墩受力最为不利，其他方案桥墩受力基本相当，相互之间优劣势并不明显。基础受力方面，方案⑤虽然基础水平力较大，但基础水平位移满足规范要求，各墩基础荷载分布较均匀，基本组合和地震组合弯矩基本相当，受力更为合理；方案③和④基础受地震荷载控制，与方案⑤相比并无优势。通过综合比选，方案⑤为最优方案。

7 结语

环形天桥主梁闭合成圆环并与桥墩全固结的结构可使主梁正负弯矩分配更均匀，改善主梁受力，并且能够增强结构刚度，提高自振频率。墩梁固结虽然会使桥墩水平力和弯矩增大，但能够有效提高桥梁整体刚度，减小基础弯矩，对本例环形天桥具有一定优势。

参考文献

[1] 胡晓莉. 大跨度环形钢箱梁人行桥力学行为研究及曲率优化探讨[D]. 重庆交通大学，2018

[2] CJJ69-95 城市人行天桥与人行地道技术规范[S]. 北京：中华人民共和国建设部，1996

[3] DB33/T 1245-2021. 城镇人行天桥设计标准[S]. 浙江省住房和城乡建设厅，2021

[4] 童景盛，陈红亮，李盈斌. 大跨度环形人行天桥支座刚度对基频的影响分析[J]，特种结构，2016，33(1)：68-73

[5] 张东，李琳，王玲玲. 圆环形人行天桥关键技术分析[J]，公路，2016，4：101-103