基于英国BS5400规范的港口钢人行桥设计
文振军 黄华
摘 要：本文结合安哥拉纳米贝油码头工程钢桁架人行桥的设计实例，解析按照英国BS5400规范进行人行桥设计的思路和流程，总结设计经验，为同类工程提供借鉴。
关键词：BS5400规范 三角钢桁架 人行桥设计
纳米贝油码头工程位于大西洋东海岸安哥拉共和国西南部，纳米贝湾北部Porto Saco，该工程拟建造一个7万吨级油气码头泊位。码头前沿设有1个工作平台，2个靠船墩和3个系缆墩，工作平台、靠船墩和系缆墩间设置钢人行桥联接，根据总图布置，人行桥跨径有11m、13.5m、25.5m和28.5m四种。合同要求钢人行桥按照BS 5400规范进行设计，其构造应不妨碍船只系泊时带缆通行，人行桥的面板采用透空的钢格栅板。
建设条件及设计思路
1、建设条件
纳米贝湾南北宽约3海里，掩护条件良好，波浪小；纳米贝湾属炎热干旱的沙漠气候，受本格拉寒流和西南西北向季风影响，降雨量少，最高气温约32°C，最低气温约18°C。除偶尔有持续约1小时龙卷风外，很少有大风天气，瞬时阵风最大风速约25m/s。
2、设计思路
按照安全、经济、适用、耐久兼顾美观的设计原则，人行桥根据跨径选择合理的结构形式，采用工厂加工整体拼装，航运至码头工地后吊装施工，采用板式橡胶支座支承在已建的墩台上。
设计荷载
1、关于人群荷载
2、关于风荷载
3、荷载组合
人行桥设计
国内外港口码头钢人行桥常采用实腹式钢板梁、拱式钢桁架、平行弦钢桁架等结构型式，根据使用条件选择上承式或下承式桥梁结构。结合纳米贝油码头人行桥的使用要求，在构思人行桥方案时，对跨度为11m、13.5m的人行桥，选用上承式钢板梁结构；对跨度为25.5m和28.5m的人行桥，拟在下承式钢板梁、上承式平行弦钢桁梁等结构型式中进行比选。
1、下承式钢板梁方案
钢板梁桥的主梁一般采用工字钢、H形钢或焊接工形梁等形式，主梁要求有足够的强度和刚度。主梁结构受截面应力和刚度控制，主梁高跨比通常在1/15～1/25之间，主梁间距和桥宽对梁高影响比较大。
以跨度28.5m钢桥为例，上部结构采用双主梁形式，为保证结构有足够的刚度，梁高拟定为1.3m。当采用上承式钢板梁时，要求相应墩台开挖槽口尺寸较深，对靠开槽深度，在满足人行桥净空要求的前提下，采用下承式钢板梁型式，横断面如图1所示。
2、上承式钢桁架方案
以往国内码头工程钢人行桥设计，比较多采用下承拱式钢桁架型式，为了方便带缆通行，会在主桁下平联结构外侧设置挑臂，架设带缆通道。纳米贝油码头要求人行道通行净宽不小于1m，桥面1.2m高度以上无障碍，同时该项目国外咨询工程师要求人行桥宽度尽可能窄。受上述条件限制，传统的下承式拱式钢桁架外侧设带缆通道的方案未被采纳。为节省用钢量，降低工程造价，经优化设计，人行桥主梁最终采用上承式三角钢桁架方案，横断面布置如图2所示。
3、方案比选
经济技术比较显示：相同跨度和宽度情况下，在满足强度和刚度要求的前提下，上承式三角钢桁架方案比下承式钢板梁方案用钢量要省，经济性好；三角钢桁架结构轻巧，造型美观，振动及稳定性亦较好，最终作为推荐方案被采纳。
4、钢桁架桥总体布置
以跨度L=28.5m为例，人行桥采用一跨简支的上承式空间三角钢管桁架结构，由空间腹杆和上平联将平行的3根弦杆（2根上弦杆和1根下弦杆）联接起来构成空间主桁体系。全桥仅端部有1对腹杆在竖直平面内，其余均为空间斜腹杆。上平联的作用：一是满足结构横向受力需要，二是加强结构横向联系，保证结构的稳定性。主桁上弦杆两端用工字钢加强，作为支承处的传力构件，工字梁底面平整，亦方便主桁梁端底面支座的布设。
考虑人行桥桥面与两端系缆墩的衔接，同时减小码头高潮位时对人行桥上部结构的影响，最终确定主桁桁高为1.7m（结构高跨比H/L约为1/16），主桁中心宽1.5m，节间长度为2m。
主桁上弦杆为φ168x10mm钢管，下弦杆为φ203x10mm钢管，主桁两端的6对腹杆和上平联的横向撑杆为φ108x8mm钢管，其余斜腹杆及上平联的斜向撑杆为φ83x7mm钢管。桥面系采用镂空的钢格栅板，用工字钢小纵梁支撑在上平联的横向撑杆上。
主桁结构采用工厂组拼，船舶海运至码头后采用吊装施工，以节省工期，确保施工质量。
2、结构变形与预拱度设置
BS 5400规范对桥梁结构在荷载作用下的变形未做明确要求，但指出应设置预拱度以满足排水等使用要求。中国规范《水运工程钢结构设计规范》（JTS 152-2012）规定：桁架式主梁由可变荷载标准值所引起的竖向挠度不应超过其跨度的1/800。在人群荷载作用下，桁架结构跨中竖向挠度f=30.4mm< L/800=34.4mm（L为计算跨径），满足要求。在结构自重作用下，桁架结构跨中竖向挠度f=16.8mm。自重及人群荷载作用下结构跨中竖向挠度合计为47.2mm，已超过跨度的1/1600，宜在结构拼装时预设上拱度，上拱度取L/1000。
3、结构振动与舒适度
根据BS 5400-2：2006附录B，对上部结构，在不加载时结构竖向振动的基频大于5Hz，在加载时结构水平向振动的基频大于1.5Hz时，可认为结构的振动性能是满足使用要求的。当结构竖向基频f0小于等于5Hz时，要求结构所有构件的最大竖向加速度a小于0.5√f0m/s2。
结构的基频与结构刚度相关，刚度越大，结构的基频也越大。对桁架结构而言，加大桁高、增大杆件截面都是改善结构基频的有效手段。但从结构稳定性角度考虑，为防止桁架发生侧倾失稳、弯扭屈曲，桁高不宜太高；从发挥材料的力学性能和节省造价角度考虑，桁架杆件截面也不宜太大。
结构设计
1、材料选用
根据合同要求应采用满足BS5400标准的钢材。原设计钢材拟采用S275 J2，设计修编时根据钢桥在国内加工组拼的实际情况，在征得国外咨工同意后，以国标Q345B钢材代替英标S275 J2（经分析比较，国标Q345B力学性能完全满足BS5400要求）。
2、连接设计
钢桁架人行桥除端部支承处采用工字型钢外，其余杆件均采用无缝钢管，构件连接均采用焊接。钢管纵向接长采用对接焊缝。钢管间的K形连接、T形连接均采用相贯焊缝，上弦管在端部开槽，将工字型钢腹板沿弦杆轴向插入，两者采用坡口焊连接。工字梁的加劲肋均采用双面角焊缝连接。上述钢管间对接焊缝、相贯焊缝、坡口焊缝、角焊缝等均应满足BS5135的相关规定和要求。
3、防腐涂装设计
纳米贝油码头钢人行桥处于海上大气环境，环境腐蚀级别为C5-M（很高），根据ISO12944的相关规定，人行桥防腐涂装体系选择ISO12944-5/A5M.06-EP/PUR。
结语
纳米贝油码头钢人行桥按照英国规范BS5400设计，采用极限状态设计法。国内《水运工程钢结构设计规范》（JTS 152-2012）亦采用极限状态设计法，与BS5400规范设计方法相似，而《公路桥涵钢结构及木结构设计规范》（JTJ025-86）仍采用容许应力法进行设计。
BS5400规范与国内钢桥设计规范在材料、荷载、结构验算（强度、刚度、稳定性）等诸多方面都有较大差异，在具体应用时应予以注意。关于人群荷载，BS5400仅对专用人行桥做了规定，对港口人行桥未做规定；国内《港口工程荷载规范》（JTS 144-1-2010）规定作用于港口工程人行引桥结构上的人群荷载标准值，当人行通道宽度小于1.2m时为2kPa，可作为参考取值。关于结构基频，BS5400规定人行桥在不加载时结构竖向振动基频大于5Hz时振动性能满足要求。国内仅《城市人行天桥与人行地道技术规范》（CJJ 69-95）规定：为避免共振，减少行人不安全感，天桥上部结构竖向自振频率不应小于3Hz。这一要求较BS5400要求偏低。
上承式三角钢桁架结构，造型新颖，受力明确，与实腹钢板梁相比用钢量较省，可作为国内外港口工程人行引桥的备选方案，值得研究和推广。
（第一作者单位：中交第四航务工程勘察设计院有限公司）
结构设计
1、材料选用
根据合同要求应采用满足BS5400标准的钢材。原设计钢材拟采用S275 J2，设计修编时根据钢桥在国内加工组拼的实际情况，在征得国外咨工同意后，以国标Q345B钢材代替英标S275 J2（经分析比较，国标Q345B力学性能完全满足BS5400要求）。
2、连接设计
钢桁架人行桥除端部支承处采用工字型钢外，其余杆件均采用无缝钢管，构件连接均采用焊接。钢管纵向接长采用对接焊缝。钢管间的K形连接、T形连接均采用相贯焊缝，上弦管在端部开槽，将工字型钢腹板沿弦杆轴向插入，两者采用坡口焊连接。工字梁的加劲肋均采用双面角焊缝连接。上述钢管间对接焊缝、相贯焊缝、坡口焊缝、角焊缝等均应满足BS5135的相关规定和要求。
3、防腐涂装设计
纳米贝油码头钢人行桥处于海上大气环境，环境腐蚀级别为C5-M（很高），根据ISO12944的相关规定，人行桥防腐涂装体系选择ISO12944-5/A5M.06-EP/PUR。
结语
纳米贝油码头钢人行桥按照英国规范BS5400设计，采用极限状态设计法。国内《水运工程钢结构设计规范》（JTS 152-2012）亦采用极限状态设计法，与BS5400规范设计方法相似，而《公路桥涵钢结构及木结构设计规范》（JTJ025-86）仍采用容许应力法进行设计。
BS5400规范与国内钢桥设计规范在材料、荷载、结构验算（强度、刚度、稳定性）等诸多方面都有较大差异，在具体应用时应予以注意。关于人群荷载，BS5400仅对专用人行桥做了规定，对港口人行桥未做规定；国内《港口工程荷载规范》（JTS 144-1-2010）规定作用于港口工程人行引桥结构上的人群荷载标准值，当人行通道宽度小于1.2m时为2kPa，可作为参考取值。关于结构基频，BS5400规定人行桥在不加载时结构竖向振动基频大于5Hz时振动性能满足要求。国内仅《城市人行天桥与人行地道技术规范》（CJJ 69-95）规定：为避免共振，减少行人不安全感，天桥上部结构竖向自振频率不应小于3Hz。这一要求较BS5400要求偏低。
上承式三角钢桁架结构，造型新颖，受力明确，与实腹钢板梁相比用钢量较省，可作为国内外港口工程人行引桥的备选方案，值得研究和推广。
（第一作者单位：中交第四航务工程勘察设计院有限公司）
结构设计
1、材料选用
根据合同要求应采用满足BS5400标准的钢材。原设计钢材拟采用S275 J2，设计修编时根据钢桥在国内加工组拼的实际情况，在征得国外咨工同意后，以国标Q345B钢材代替英标S275 J2（经分析比较，国标Q345B力学性能完全满足BS5400要求）。
2、连接设计
钢桁架人行桥除端部支承处采用工字型钢外，其余杆件均采用无缝钢管，构件连接均采用焊接。钢管纵向接长采用对接焊缝。钢管间的K形连接、T形连接均采用相贯焊缝，上弦管在端部开槽，将工字型钢腹板沿弦杆轴向插入，两者采用坡口焊连接。工字梁的加劲肋均采用双面角焊缝连接。上述钢管间对接焊缝、相贯焊缝、坡口焊缝、角焊缝等均应满足BS5135的相关规定和要求。
3、防腐涂装设计
纳米贝油码头钢人行桥处于海上大气环境，环境腐蚀级别为C5-M（很高），根据ISO12944的相关规定，人行桥防腐涂装体系选择ISO12944-5/A5M.06-EP/PUR。
结语
纳米贝油码头钢人行桥按照英国规范BS5400设计，采用极限状态设计法。国内《水运工程钢结构设计规范》（JTS 152-2012）亦采用极限状态设计法，与BS5400规范设计方法相似，而《公路桥涵钢结构及木结构设计规范》（JTJ025-86）仍采用容许应力法进行设计。
BS5400规范与国内钢桥设计规范在材料、荷载、结构验算（强度、刚度、稳定性）等诸多方面都有较大差异，在具体应用时应予以注意。关于人群荷载，BS5400仅对专用人行桥做了规定，对港口人行桥未做规定；国内《港口工程荷载规范》（JTS 144-1-2010）规定作用于港口工程人行引桥结构上的人群荷载标准值，当人行通道宽度小于1.2m时为2kPa，可作为参考取值。关于结构基频，BS5400规定人行桥在不加载时结构竖向振动基频大于5Hz时振动性能满足要求。国内仅《城市人行天桥与人行地道技术规范》（CJJ 69-95）规定：为避免共振，减少行人不安全感，天桥上部结构竖向自振频率不应小于3Hz。这一要求较BS5400要求偏低。
上承式三角钢桁架结构，造型新颖，受力明确，与实腹钢板梁相比用钢量较省，可作为国内外港口工程人行引桥的备选方案，值得研究和推广。
（第一作者单位：中交第四航务工程勘察设计院有限公司）
