铝合金人行桥结构设计及分析
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摘要：铝合金材料具有比强度高、耐腐蚀、焊接性能好、后期维护费用低及可循环利用等诸多优点，铝合金桥梁作为新型结构形式和新型材料的结合，结构轻盈，通透感强。以侨中路人行桥的设计为例，对铝合金桁架桥梁的结构特点和承载能力进行了分析。桥梁的挠度、应变和自振频率实测值与理论值比较结果表明，结构在设计荷载作用下处于线弹性范围内工作，结构整体受力性能良好，能够满足设计及相应的规范要求。
关键词：铝合金；桥梁工程；结构设计
中图分类号：S611 文献标识码：A 文章编号：
1 工程概况
海口是海南省的省会，城市经济在发展的同时，交通拥堵现象越来越严重。海南华侨中学是海口市属省重点中学，学校占地面积大，人口众多。海秀中路为城市主干路，车辆多，交通拥堵日益严重。侨中路经过华侨中学校区，与海秀中路相交，行人乱穿马路不仅危及行人安全，而且使得道路拥堵雪上加霜。
为方便行人过街，提高道路通行能力，减少交通事故，保障车辆安全畅通，在桩号K0+575处拟建人行天桥，桥位距离华侨中学校门约200米，距离侨中路与海秀中路交叉口中心约70米。
2．结构设计
天桥建设已经成为城市设计的重要组成部分，天桥设计是一项艺术创造。它不仅仅要供人行走，要实用，更要美观，要与整座城市的风格相协调，使之成为体现城市现代化建设综合水平的一个“亮点”。新型结构形式和新型材料是实现创新的两条途径。新型结构设计一直是结构工程师孜孜不倦的追求，斜拉索、钢箱梁、中承式拱等新型组合结构形式得到综合运用。钢材、铝合金和复合材料（玻璃钢、碳纤维等）在桥梁工程中越来越引起人们的兴趣与重视[1]。新型人行天桥具有结构轻巧、造型独特、跨度较大、承载力高的优点，同时安装便利、施工周期短。天桥的立面形式发生了很大的变化，而且平面布局也出现了曲线、折线、环型等多种形式，人行天桥已经告别笨重、粗糙，而突现灵巧、新颖。
侨中路人行天桥的桥位距离隧道口70米，隧道设计双向四车道，天桥要求单跨跨过侨中路。根据平面布置要求，桥跨布置为3.31+30.6+3.31m。为了整个结构显得较轻盈，桥位向北侧挪动，以能够放置梯道。梯道宽3.5米，坡度为1：2。海口气温较高，人行天桥需要设置顶棚防雨和防晒。方案一采用鱼腹式钢箱梁，梁高1.5米，宽4.0米。方案二采用铝合金桁架桥，桁架梁高2.34米，宽3.0米。
根据方案比选，如果采用钢箱梁，主梁结构高度至少要1.5米，结构外观上比较厚重。而采用铝合金桁架桥，上弦杆兼作扶手使用，结构总高度小，通透感强。从总投资上看，采用铝合金桁架桥比钢箱梁高20%左右，总投入相差不是很大。钢桥重量较大，表面需做防腐处理，并且需要定期维护。而铝合金具有“高比强度”、“良好耐腐蚀”、“易焊性”、“低维修费”和“可循环利用”等诸多优点[1]。综合考虑到美观和海口城市对防腐的要求，最后确定采用铝合金桁架桥。为体现美观和绿色环保理念，顶棚设计为双拱形，天桥两侧设置花槽，桥梁立面和横剖面见图1和图2。
图1 侨中路人行天桥立面图（单位：cm）
(a ) 跨中截面 (b) 1/4L截面
图2 横剖面图（单位：cm）
3. 结构分析
铝合金材料类型有很多种，强度相差很大，但桥梁适用的型号主要是合金牌号为6082 T6的AlMgSi1铝合金，材料弹性模量为6.9x104MPa，屈服强度260MPa，极限强度310MPa。目前世界各地已建成的铝合金桥梁大概有400座，由于铝合金材料的弹性模量是钢材的1/3，同样结构和外荷载条件下结构的刚度较小会导致较大的变形，如果要满足设计规范中结构变形的要求，就需要较大的结构高度或者增大构件的截面积。由于铝合金结构桥梁的自重轻，在自重荷载下的自振频率较高，而在外部活荷载作用下其自振频率明显下降[2]【3]。
为验证铝合金桥梁的结构特性和承载能力，进行了主跨的荷载试验。试验主要测试主跨设计荷载作用下跨中和支座的杆件应力和结构挠度，试验采用应变片量测主要杆件的应变，采用电子位移计和精密水准仪对跨中、支座和1/ 4 跨处主桁架的形变进行量测[4]。
3.1 挠度测试
荷载作用下铝合金桥的结构挠度见图4。
（a）25%荷载加载（b）50%荷载加载
（c） 75%荷载加载（d） 100%荷载加载
图3 实测挠度与计算挠度比较
对加载试验效率最大部位（加载100%设计荷载时1/2断面左右测点）计算校验系数如下：＝21.4/23.9=0.90；＝20.9/23.9＝0.87。满足校验系数常值0.75~0.95的要求。卸载后挠度残余值见表1，表中挠度值向下为正，向上为负。
表1 卸载后挠度残余值(mm)
卸载后挠度残余值最满足容许值要求。
3.2 应变测试
弯矩应变测试结果见图5，残余应变测试结果见表2。
图5 弯矩―应变曲线图
表2 卸载后应变残余值(με)
应变实测值略小于理论值，卸载后的残余应变满足校验系数常值0.75~0.95的要求。
3.3 自振频率
利用桥梁在各种随机环境激励（包括地脉动、风等）下引起的振动响应，采集相应信号，通过频谱分析可以得到桥梁结构的固有振动特性。全桥共用速度传感器3个，全部为V向，分别布置在试验跨L/4、L/2、3L/4桥面一侧。桥梁动挠度测试的测点布置在试验桥跨的跨中。
通过地脉动或风的微小振动所产生的激振，经频谱分析后得到侨中路桥的固有频率为4.3Hz，理论计算固有频率值为3.6Hz，小于实测值，说明桥梁结构的实际刚度大于理论刚度。自振频率值大于规范值3.0Hz，上部结构动力学性能满足设计要求。
4．结论
铝合金具有密度小、比强度高、耐腐蚀、焊接性能好、维护费用低及可循环利用等诸多优点。由于自重轻，与其它材料相比总投入增加不大。上弦杆兼作扶手使用可明显降低结构总高度小，结构轻盈，通透感强。因此，铝合金桥梁顺应当前城市建设发展的潮流，应用前景非常好。
设计荷载作用下挠度和应变的实测值与计算值基本符合，而且一般小于计算值，效率系数在0.75~0.95之间。卸载后变形恢复良好，残余变形较小，表明结构在所施加荷载下处于线弹性范围内工作。自振频率值实测表明结构整体受力性能良好，能够满足正常使用荷载的要求，已达到设计及相应的规范要求。
参考文献：
[1]姚常华，杨建国，吴利权. 铝合金结构桥梁的应用现状、前景及发展建议[J].钢结构2009，17(2):1-5
[2]王春生，高珊. 铝合金桥梁的受力性能[J].世界桥梁，2008（3）：66-70
[3] Qingjie Wen, Yanjun Qi. Rearch on design of aluminum truss bridge[J]. Advanced Materials Research, 2011, 168-170: 1776-1779
[4]靳欣华，陆逵，鲁宏. 上海某铝合金人行天桥荷载试验分析[J]. 城市道桥与防洪，2009（2）：33-36