顾乐明
这是年初制定的人行天桥规划。人行天桥不大，形式也不复杂。我主要跟大家分享一下结构方案的演变。
某项目群三面环水。河的对岸是一个开放的公园。本文所述的人行天桥是连接建筑群中轴线与开放公园的重要交通节点。两座弧形人行天桥与综合体广场和开放公园的下沉广场形成一个完整的圆圈拱形钢结构，呼应流云的景观设计理念。
两座人行天桥的弧半径均为51m，人行天桥第一弧长为56m，人行天桥第二弧长为57m。
人行天桥在汛期必须保证下部有2m高、8m宽的通航空间。因此，结构形式基本锁定为拱形。
钢结构拱桥方案推演
1、双拱结构
首先想到的是制作两个钢拱来支撑桥面。桥面为“钢梁+混凝土楼板”结构体系。钢梁下方设有一对钢结构拱门。钢拱与桥面钢梁通过竖向腹杆连接。
桥面采用120mm厚混凝土，钢梁高度350mm，桥面总厚度470mm。两个拱门由直径203毫米的圆钢制成。
双拱结构体系各项指标良好。但结构体系比较传统，不够简洁。出于功能原因，桥面必须如此宽。下面的拱门可以只是一个拱门吗？
2、单拱结构
桥面仍为“钢梁+混凝土楼板”结构体系，但仅布置一个钢结构拱。钢拱与两侧桥面钢梁采用V形腹杆连接。
桥面采用120mm厚混凝土，桥面总厚度470mm。单拱为直径500mm的钢管。
如果桥梁是直的，则拱桥和桥面钢梁在竖向荷载作用下的内力分布如下图所示。
对于弧桥来说，结构除了承受竖向荷载外，还存在向外倾覆的倾向。弧桥在竖向荷载作用下的内力分布如下：桥面两侧的拱与钢梁分别形成力矩，抵抗向外倾覆。
拱桥轴力图如下所示。
本方案一阶固有频率为1.55Hz，模态为桥面中部振动。
对于人行天桥来说，这样的自振频率比较小，人们在上面行走的舒适度就会出现问题。
如何解决舒适度问题？或者说如何增强结构刚度？
3、单梁+箱形桥面方案
为了增强桥面刚度，采用箱形桥面方案，桥面厚度约为400mm。箱形桥面之间设置加劲板，沿桥长方向每隔0.5m设置一加劲板，沿桥宽方向分为4等份。
本方案桥面无混凝土楼板，仅预留100mm建筑面层。在这种情况下，箱梁将为结构提供比梁板结构更大的刚度。此时桥面对拱也有稳定作用，拱的直径可从500mm减小到350mm。
3.1 桥面与路堤连接方法
连接桥面与路堤的方法有很多种。经计算分析，桥面与路堤刚性连接时，一阶固有频率为2.5Hz；桥面铰接于路堤时，一阶固有频率为2.49Hz；桥面搁在路堤上时，一阶固有频率为2.49Hz。振动频率为1.45Hz。
可见，桥面与路堤铰接时，人行桥的刚度得到了更好的保证，且结构比刚性连接时更为简单。
▲桥面刚刚与路堤相连
▲桥面铰接于路堤
▲桥面搁在路堤上
假设桥面和路堤在两点连接。当桥面与路堤铰接时，桥面对路堤的反作用力同时处于竖向重力荷载（1.3D+1.5L）和水平地震（Eqx）条件下。达到1200KN。
在这种情况下，需要在地下室顶板安装拉出锚栓或锚栓。这增加了结构复杂性和相关成本。如何将外部需求尽可能内化？
通过连杆将拱支座与桥面两端连接，可以平衡拱的推力与桥面的拉力。拉杆覆土，不影响景观效果。如下图所示。
3.2 桥面厚度对比
桥面厚度对结构有什么影响？比较 300 毫米、400 毫米和 500 毫米的桥面高度。
▲桥面高度300mm
▲桥面高度400mm
▲桥面高度500mm
结果表明，当桥面高度为300mm时，一阶频率为2.15Hz，当桥面高度为400mm时，一阶频率为2.35Hz，当桥面高度为500mm时，一阶频率为2.35Hz。指令频率为2.49Hz。可见，桥面高度直接影响桥面刚度。当桥面高度为400mm时，人行桥刚度适中，基本能满足舒适性要求。如果完成后舒适度不够，可以通过设置TMD来解决。
最后拱形钢结构，将钢拱桥放入模型中，如下图所示。
混凝土拱桥方案推演
鉴于混凝土出色的抗压性能，混凝土拱壳绝对是一个不容错过的解决方案。
桥面厚度300mm，拱厚200mm，肋厚150mm。一阶自振模态为2.52Hz，一阶屈曲模态为DL+LL的8.8倍。
拱桥恒载作用下的应力云图如下。楼板的拉应力不大。由于拱门是平坦的混凝土板，与单根钢管相比，倾覆的倾向大大降低。基本上D12@100可以抵抗地板拉力。
考虑到景观效果，拱壳宽度进一步缩小。拱门宽度减少至2m。
经对比，拱桥宽2m，厚200mm。
混凝土拱桥放置在模型中，如下所示。
最终的选择将根据景观结合整个场地的设计来确定。
概括
人行天桥的建筑功能比较简单，结构对形式的影响比较大。所以我当时就做了一些计划，分享给大家。我希望将来有机会建造一些有趣的人行天桥。
