某全铝合金人行天桥的计算和荷载分析汇总.docx
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某全铝合金人行天桥的计算和荷载分析汇总
收稿日期：
2008-12-20
作者简介：
吴宝玲（1967-），女，北京人，工程师，学士，主要从事工程
检测和工程管理等方面的工作。
第27卷第2期市政技术Vol.27No.2
2009年3月MunicipalEngineeringTechnologyMar.，2009
1工程概况
该工程为北京市某人行天桥。
天桥平面为“U”形，
包括一座东西向的主桥和两座南北向的副桥。
主桥东
西向跨越主路，并连接两侧商场2层，总长度84m，其中主跨38.1m。
天桥面积约1506.8m2。
天桥主桥立面如图1所示。
文章编号：
1009-7767（2009）02-0112-04
某全铝合金人行天桥的计算和荷载分析
吴宝玲1，方
平2，张爱江1
（1.北京市市政工程研究院，北京
100037；2.北京市路政局，北京
100053）
摘要：
通过对某全铝合金结构人行天桥进行力学模型和边界条件的简化和假定，建立有限元模型并对其进行力学计算
和理论分析；在与试验数据进行对比后，提出验算和试验校验结论以及在正常使用极限状态下均匀温度场对该类桥的影响等结论，并就桥梁选材合理性和结构适用性进行了简单的探讨。
关键词：
人行天桥；铝合金桁架结构；正常使用极限状态；有限元；荷载试验中图分类号：
U442.5
文献标志码：
B
ComputationalAnalysisandLoadTestofanEntireAvionalPedestrianBridge
WuBaoling，FangPing，ZhangAijiang
图1人行过街天桥立面图
温度/（℃）
线膨胀系/（10-5/℃）
抗拉强度/
MPa密度/（kg/m3）
泊松比
弹性模量/
GPa-20+25+65
2.60
311.4310.0283.4
270027002700
0.30.30.3
70.4069.8068.60
表1
实测计算参数
该桥主体结构全部采用新型铝合金材料，这在国内尚属首例。
铝合金材料强度高、重量轻，是较好的结构材料。
但对于跨度较大的金属承重结构，往往不是材料强度起控制作用，而是杆件稳定性和结构刚度起控制作用。
因国内目前尚无铝合金桥梁设计规范，该桥的设计主要参考德国规范和国内的钢结构设计规范。
为检验该桥在正常使用极限状态下的变形、内力分布情况和实际承载能力，在实测铝合金材料物理、力学性能的基础上采用有限元法对该桥进行分析，并在
计算结果指导下进行了荷载试验。
2天桥主桥的有限元计算分析2.1
材料性能实测结果
计算分析和荷载试验前，对铝合金材料物理和力
学性能进行了实测，结果列于表1中。
由表1可见，该种材料弹性模量较低，仅为一般
2009年第2期
表2
最大应力应变挠度计算结果
说明：
该桥主桥南北两侧主桁片为非对称设计，北侧桁片平面内刚度小于南侧桁片，故最大应力、挠度等出现在北侧桁片。
项目
-20℃
+25℃
+65℃
计算结果
计算结果
计算结果
位置最大拉应力/MPa19.219.219.2
主跨北侧跨中下弦杆；主跨主桁架支座斜杆
最大压应力/MPa24.424.424.4
主跨北侧跨中上弦杆
最大拉应变/με273275279
主跨北侧跨中下弦杆；主跨主桁架支座斜杆
最大压应变/με347350356主跨北侧跨中上弦杆
最大挠度/mm
50.9
51.6
52.3
主跨北侧跨中
位置位置主跨北侧跨中下弦杆；主跨主桁架支座斜杆
主跨北侧跨中下弦杆；主跨主桁架支座斜杆
主跨北侧跨中上弦杆
主跨北侧跨中上弦杆
主跨北侧跨中下弦杆；主跨主桁架支座斜杆
主跨北侧跨中下弦杆；主跨主桁架支座斜杆
主跨北侧跨中上弦杆
主跨北侧跨中上弦杆
主跨北侧跨中
主跨北侧跨中
钢材的1/3左右。
在天桥结构设计中，铝合金材料抗拉强度要求不低于310MPa，强度设计值要求不低于260MPa，挠度不大于L/800（47.6mm）。
2.2计算假定和边界条件
根据对设计图纸和桥梁实体结构的分析，该天桥
主桥桁架结构的传力路径为走道板→横向桁片→纵向主桁片→支座。
天桥组成杆件均通过节点板用螺栓相互连接，节点按固接设计。
节点试验也表明杆件变形远大于节点变形，试验过程中，平面内杆件与节点板夹角基本无变化。
因此，计算时节点按固接考虑。
由于天桥的东西两座副桥以及与主桥连接的电梯、步梯等均有各自独立的支承体系，与主桥连接处均用伸缩缝断开，故建立模型时不考虑副桥对主桥的影响，认为主桥为一个独立的结构。
如图1所示，该桥主桥共设置10根墩柱和10个支座，其中第⑤轴线处两个支座为固定支座，限制桥梁在X（桥梁纵向）、Y（桥梁横向）和Z（上下）方向的自由度，但不限制转动；其余支座均为滑动支座，只限制桥梁在Y和Z方向的自由度，而不限制X方向的自由度和转动自由度。
桥梁支撑简图如图2所示。
2.3建立有限元模型
本文根据弹性力学和有限元理论[1-2]，利用通用有
限元程序ANSYS，采用既可用于结构力学分析又可用于热力学计算的Beam188单元建模对该桥主桥进行
3维力学分析[3-4]。
有限元模型如图3所示。
2.4计算结果
根据CJJ69-95《城市人行天桥与人行地道技术规
范》正常使用极限状态下，荷载采用标准组合，考虑桥梁跨度和宽度修正后，确定该天桥主桥人群荷载标准值为3.6kPa。
根据桥梁内力影响线，考虑到荷载不利布置对桥梁最大挠度有重要影响，主桥的主跨（④-⑤之间）满布人群荷载工况下，桥梁挠度最大，因此，以下计算和分析，均以主跨满布人群荷载工况为例进行。
计算过程按-20、+25、+65°C均匀温度场分别计算。
在各均匀温度场内，结构的最大挠度、应力、应变
计算结果见表2。
图2主桥支撑情况简图
图3
天桥主桥力学模型
某全铝合金人行天桥的计算和荷载分析
113
··
市政技术第27卷
3荷载试验结果[5-7]
在对该桥主桥进行有限元分析的基础上，根据桥
梁内力影响线，考虑荷载不利位置布置，对桥梁进行正常使用极限状态下的荷载试验。
试验选择在夜间进行，以保证安全和温度均匀、恒定。
荷载试验采用堆砂袋的方式进行加载。
为保证试验安全，按照加载效率0.9控制，试验过程分3级加载，每级按荷载总量的1/3施加。
试验中，根据有限元分析结果，在应变和挠度控制截面处安装应变和挠度测点，采集应变和挠度值，有代表性的结果见表3。
4结果分析与探讨
4.1计算结果与荷载试验实测结果对比分析
首先，将应变和挠度的计算值与实测值列于表4中，并分别对计算值和理论值采用最小二乘法进行线性拟合，结果示于图4和图5中。
由表4和图4、图5可以看到：
1）计算值与实测值比较接近，计算值拟合曲线与
实测值拟合曲线基本重合。
这说明，对该桥进行的各
种理论假设、力学模型简化和计算方法合理，适用于
本桥梁和类似桥梁的结构分析和计算。
2）不同荷载等级下，无论是实测应变还是实测挠
度，线性相关系数均在0.97之上，说明在正常使用极限状态下，结构处于较好的弹性工作状态。
3）最大实测应变换算的应力（251×0.07=17.57MPa）
远小于260MPa的设计要求。
这说明，正常使用极限
状态下，该天桥结构承载能力不是由材料强度控制，而是由结构刚度和杆件的稳定性来控制的。
4.2温度对结构内力和结构挠度的影响
对比表2中各均匀温度场内桥梁杆件内力大小
和分布方式，可以看到它们是完全相同的，如图6所示。
这样的结果表明，就该桥而言，无论温度高低，只要均匀或均匀变化，都不会在结构内部产生附加内力，也就是说：
在均匀或均匀变化的温度场内，结构内力只决定于结构的初始状态和所受到的其它作用，而与温度高低和是否变化无关。
导致这一结果的原因是：
该结构材料均匀一致，线膨胀系数相同且整体桁架结
构的伸缩变形未受到约束。
另外，由表2我们还可以看到，随着温度的升高，挠度逐渐增加，原因是随着温度的升高，材料的弹性模量逐渐降低。
该桥在不同温度场内的挠度与其相应的弹性模量关系如图7所示。
荷载等级最大拉应变值/με（+25℃）最大挠度/mm（+25℃）
0123
0110198251
0.020.238.649.0
表3
主桥主跨荷载试验实测应变和挠度
0123
荷载等级
挠度/mm（+25℃）092183275
0.017.234.451.6
0.020.238.649.0
计算值
计算值
实测值
最大拉应变/με（+25℃）
0110198251
实测值
表4
主桥荷载试验实测挠度与计算值
图4
主桥荷载试验实测应变与计算值比较
图5
主桥荷载试验实测挠度与计算值比较
图6不同温度的均匀场内主桥最大应力变化
114
··
2009年第2期图7中，结构挠度与弹性模量倒数间高达0.99的线性相关性，表明两者之间为正比关系。
4.3选材合理性和结构适用性的探讨4.3.1
选材合理性的探讨
以下仅以选材是否合理为例进行简单探讨。
由图7得到的结论是该桥结构挠度f与材料弹
性模量的倒数（1/E）成正比。
另外，如果对该桥进行更深入的分析，我们不难发现，即使在承载能力极限状态（未考虑地震组合）下，桥梁最大拉应力也不会超过
38（=1.4×24.4/0.9）MPa，仍远小于260MPa。
也就是
说，该桥无论是正常使用极限状态还是承载能力极限状态，都不是由材料强度控制，而是由结构的刚度和杆件的稳定性来控制的。
上述结论表明：
该天桥结构在其它条件不变时，增加材料的弹性模量可以有效减小结构挠度。
若将钢材和铝合金材料进行比较，钢材的弹性模量约为此种铝合金材料的3倍，若采用钢结构，则挠度仅为铝合金结构的1/3左右，可以满足L/800的挠度要求。
另外从结构造价方面考虑，钢材的价格要比铝合金便宜的多。
因此，该天桥选材是否合理值得商榷。
4.3.2结构适用性的探讨
该天桥采用了上承式的桁架结构，即桥面板位于桁架上弦处。
按照该桥桁架的高度，上承式结构桥面
高度至少比下承式高出2m以上，这样既不利于攀爬和行走舒适，也不利于自动扶梯节能。
所以，采取中承或下承结构或其它结构型式也许更为合理，因而，该桥结构的结构适用性也值得商榷。
5结语
经过对该天桥主桥进行理论分析计算，并与实际
载荷试验数据进行对比，可以得到以下结论：
1）计算结果表明，本文对该桥主桥计算时的力学
模型、边界条件的简化和假定是合理、有效的，适用于
类似桥梁的设计。
2）该桥无论是计算挠度还是实测挠度均大于设
计控制值，结构刚度略显不足。
3）在正常使用极限状态下，该桥处于较好的弹性
工作状态。
4）均匀或均匀变化的温度场内，对于金属结构，
当材料均匀一致，线膨胀系数相同，整体结构伸缩变形未受到约束时，杆件内力与温度无关。
5）该桥梁结构在正常使用极限状态下和承载能
力极限状态下，结构应力均较小，承载能力由结构刚度和杆件稳定性控制。
6）该桥梁选材合理性和结构适用性值得商榷。
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