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摘要：铝合金材料因质轻、高强、耐腐蚀、维护费用低以及可回收再利用等诸多优点在人行天桥中的应用越来越广泛，本文就铝合金人行天桥的设计要点进行深入研究并总结。
关键词：铝合金 人行天桥 竖向挠度 自振频率
1前言
人行天桥，作为民生工程的重要组成部分，不仅要求经济适用，还要造型美观、经久耐用、方便施工、工期短、施工期间尽量不影响现状道路的交通等诸多要求。21世纪初，人行天桥主要采用钢结构，其优越性比较明显，但也普遍面临着锈蚀而导致的耐久性问题和维护成本高问题，因此，寻找一种与钢材强度相当、耐久性好、景观效果好的新型材料，对城市人行天桥的发展具有重要意义，而铝合金材料的轻质、高强、耐腐蚀、维护费用低以及可回收再利用等诸多优点正满足了这种发展的需要[1]，现在铝合金在人行天桥中的应用越来越广泛。
2 铝合金桥的优点和缺点
铝合金桥的优点：1）铝合金密度小，质量轻，仅为同体积钢材的34％，而强度指标同钢材基本相同，这样可以大大降低结构自身高度；桥梁上部结构自重小，对基础要求相对较低，下部结构造价较低；2）铝合金桥上部结构自重轻，运输和吊重小，施工更便利；3）铝合金耐久性好，抗锈蚀能力强，且表面易于进行抛光处理，不需要类似钢结构的复杂防腐处理，后期维护费用低； 4）美观易加工，铝合金材料具有特殊的金属光泽与质感，很受人们的喜爱，其便于加工的特性，易满足各种特殊的造型结构构件的要求，便于工厂加工和现场处理。5）抗疲劳性能好，德国慕尼黑大学专门对铝桥监测的数据库以及国外的工程实践都证明，铝合金桥梁具有很好的疲劳特性，其疲劳曲线的形状与有色金属相类似，且远远超出了普通应用循环次数；⑤铝合金为环保材料，现在已经可以低成本地全部回收再利用，不会产生建筑垃圾，而且铝也是地壳中分布最多的金属元素(约占7．73％)，采用电解法很容易获得。
铝合金桥的缺点：1）铝合金的弹性模量较小，因此限制其在结构中广泛应用，尤其是在大跨度、重载荷的结构中，应用更少；2）频率变化幅度大，铝合金密度小，在荷载作用下频率变化较大，当人行天桥的振动频率和人的步行频率接近时，在动力荷载作用下对人行天桥的整体受力极为不利；3）铝合金材质较软，容易出现划痕，在反复荷载作用下容易在划痕范围内产生疲劳损伤；4）虽然铝合金防腐性能好，后期维护费用较低，回收利用率高，但总投资仍较钢桥和钢筋混凝土桥高。
3 铝合金人行天桥设计时应注意的几个问题
1、目前，国内铝合金结构设计规范有《铝合金结构设计规范》（GB 50429-2007），验收规范有《铝合金结构工程施工质量验收规范》（GB 50576-2010），这两本规范主要是针对铝合金结构，规范中并未对人行天桥结构的挠度和自振频率给出明确的要求，因此，目前国内人行天桥设计主要是依据1996年颁布实施的《城市人行天桥和人行地道技术规范》(CJJ 69—95)，该规范对设计构造要求主要有两点：①由人群荷载计算的上部结构的最大竖向挠度，以桁架梁为例，该挠度值不应大于L／800 (L为计算跨径)；②上部结构自振频率不应小于3Hz。这两点要求既有安全方面的考虑(挠度限制)，也有舒适性的考虑(自振频率限制)，而国外，如德国工业标准D1N 1052对按人群荷载计算的挠度的要求为：①不大于L／300；②若不影响正常使用，业主没有特别要求，挠度值可以不受此限制。很显然，国内外这2种规范分歧较大，产生分歧的原因主要是人群荷载差异太大。
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2、采用焊接铝合金结构时，必须考虑热影响区材料强度降低带来的不利影响，热影响区范围内强度的折减系数因合金牌号而异，其中3003和3004合金折减系数达0.2，也就是说这两种铝合金材料焊接后热影响区的强度仅为初始强度的20%。鉴于铝合金的这个特性，铝合金人行天桥构件之间的连接多采用螺栓连接或锚栓连接，普通螺栓材料宜采用铝合金、不锈钢，也可采用经热浸镀锌、电镀锌或镀铝等可靠表面处理后的材料，铝合金结构的螺栓连接不宜采用有预拉力的高强度螺栓，确需采用时应满足规范的相关要求。
3、铝合金人行天桥与传统桥梁的区别有：1）铝合金人行天桥中恒载约占总重量的30%、活载占70%左右，传统桥梁的恒载约占60%、活载占40%左右，由此可见，荷载成分发生了根本性变化，导致人群荷载作用下铝合金人行天桥的竖向挠度较传统钢桥大；2）由于铝合金人行天桥的恒载比例小，结构自振频率较高，但当人群荷载作用后，其自振频率下降比较明显，而传统钢桥恒载时自振频率较低，考虑人群荷载作用后变化不大，两者是截然不同的。因此，在铝合金人行天桥设计中，必须考虑这两方面的特点，并对结构的安全性与舒适性设计构造要求进行完善，以体现经济性和合理性。
为解决以上问题，《新型铝合金结构在城市人行天桥中的应用》（桥梁建设2007年第6期）一文中提出以下建议：a,按人群荷载计算的最大竖向挠度限制条件要适当放宽，参照建筑大梁的有关规定，取值为L/400;b,考虑到人群荷载远大于恒载，对上部结构哦的自振频率提出更严格的要求，即“恒载+30%的人群荷载”共同作用下的“自振频率”不应小于3Hz；c，采用三维弹塑性分析的桥梁极限承载力系数不应小于1.7。该文中提到的杭州市庆春中河人行天桥为铝合金桁架人行天桥，其中主桥A在满布人群荷载（4.3KPa）作用下最大挠度为5.68cm，相当于L/648，幅桥B在满布人群荷载（4.6KPa）作用下最大挠度为4.32cm，相当于L/509，主桥和幅桥在人群荷载作用下的最大竖向挠度均不满足《城市人行天桥和人行地道技术规范》(CJJ 69—95)中L／800 (L为计算跨径)限值的要求，该桥于2007年建成开放交通至现在，未出现过因竖向挠度过大而封闭交通的问题，因此，笔者认为，进行铝合金桁架人行天桥竖向挠度设计时，可以根据人群荷载的实际情况，酌情放宽铝合金人行天桥在人群荷载作用下竖向挠度的限值要求。
4、结语
1，铝合金因自重轻、强度高、耐久性好、后期维护方便以及回收利用率高等诸多优点，因此无论从性能还是造价上相对钢桥具有明显的优势，再者，铝是地壳中分部最多的金属元素，采用电解法很容易获得，因此铝合金在城市人行天桥建设中具有很好的应用前景。2，由于铝合金人行天桥中恒载相对活载的比例很小，具体工程设计时，对于铝合金人行天桥结构的竖向挠度和自振频率限制可以酌情选用。3，铝合金桁架构件间连接时宜采用螺栓连接。
参考文献
[1]GB 50429-2007，铝合金结构设计规范[S].北京：中国计划出版社，2007
[2] GB 50576-2010，铝合金结构工程施工质量验收规范[S].北京：中国计划出版社，2010
[3]陈宝春，杨亚林，孙潮.铝桥的应用与发展[J]，世界桥梁，2004，（2）：68-70.
[4]许庚，王立强，李少成，吴明磊，候和涛.铝合金桁架人行天桥的结构设计[J]，市政技术，2011，（6）：35-38.
[5]程晓东.新型铝合金结构在城市人行天桥中的应用[J]，桥梁建设，2007，（6）：38-41.
[6]张金富，谭庆平.下立交通道上增设人行通道桥工程的设计与研究[J]，中国市政工程，2012，（5）：86-88.
[9]徐业飞.铝合金人行天桥结构分析[D].浙江:浙江大学 2007
论文作者:刘超凤
论文发表刊物:《防护工程》2018年第28期
论文发表时间:2018/12/25
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