環(huán)形鋼結(jié)構(gòu)人行天橋受力性能及加固方法研究

譚榮昕

(徐州市市政設(shè)計(jì)院有限公司，江蘇 徐州221002)

1 動(dòng)力性能有限元分析

1.1 MIDAS/Civil 軟件介紹

MIDAS/Civil 軟件的設(shè)計(jì)理論基礎(chǔ)為有限元理論，通用于橋梁領(lǐng)域中，軟件集靜力分析、動(dòng)力分析、屈曲分析、幾何非線性分析等分析功能于一體，具有較高的便利性［1］。

1.2 建立有限元模型

在MIDAS/Civil 2013 軟件及橋梁空間線性的基礎(chǔ)上，建立空間有限元模型，對(duì)橋梁的受力性能進(jìn)行分析，鋼箱梁采用四節(jié)點(diǎn)板單元，梁?jiǎn)卧獮楠?dú)柱墩，在整個(gè)人行天橋中，單元共有7271 個(gè)，節(jié)點(diǎn)為6371個(gè)。建立三維坐標(biāo)系，坐標(biāo)軸與位移方向一致時(shí)，位移值記為正數(shù)，否則是負(fù)數(shù)。對(duì)邊界條件進(jìn)行限定，在橋梁兩端圓曲線處，選擇的支座為固定支座，限制的自由度為6 個(gè)，在橋梁直線段處，采用彈性支座，限制的自由度為3 個(gè)。橋梁結(jié)構(gòu)采用材料為鋼板。依據(jù)上述條件，利用有限元模型計(jì)算出豎向振型、內(nèi)力及撓度。

1.3 有限元分析與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比

將利用有限元模型計(jì)算出的結(jié)果與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比顯示，在滿布人群荷載條件下，有限元計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果基本一致。通過數(shù)據(jù)結(jié)果可知，此環(huán)形鋼結(jié)構(gòu)人行天橋的豎向振動(dòng)頻率較小，不符合相關(guān)規(guī)定，易引起共振反應(yīng)，降低天橋使用的牢固性。

2 加固方法

2.1 采用TMD 減振控制

TMD 是指調(diào)諧質(zhì)量阻尼器，通過共振原理，控制主體結(jié)構(gòu)某些振型的動(dòng)力響應(yīng)。在人行天橋中，主體結(jié)構(gòu)與TMD 的頻率比、質(zhì)量比，TMD 自身的阻尼比在TMD 系統(tǒng)的調(diào)節(jié)下，能夠?qū)⑿凶邥r(shí)產(chǎn)生的振動(dòng)能力吸收，降低產(chǎn)生人橋共振的可能，保證行人行走時(shí)的安全性。在選擇的案例工程中，TMD 安裝的數(shù)量為6 個(gè)，分別為安裝在立柱1 與2、立柱4 與5、立柱6 與1 之間，依據(jù)每跨TMD 的參數(shù)，將控制結(jié)構(gòu)豎向振型計(jì)算出來，同時(shí)計(jì)算出控制結(jié)構(gòu)的內(nèi)力和撓度，將計(jì)算數(shù)值與原結(jié)果進(jìn)行對(duì)比結(jié)果顯示，在人行天橋的第一階豎向振型方面，頻率與原結(jié)果基本相同，依然不符合相應(yīng)規(guī)范要求，在豎向撓度方面，減震效果并未達(dá)到理想結(jié)果，因此，此種方法并不適合環(huán)形鋼結(jié)構(gòu)人行天橋。

2.2 改變立柱與主梁約束關(guān)系

此方案采用約束支座自由度的方法，原結(jié)構(gòu)中，立柱2、3、5、6 頂部均設(shè)有支座，約束自由度時(shí)，僅約束了橫向、縱向及豎向三個(gè)方面，在新的固定方案中，用剛性支座替換盆式橡膠支座，從而有效約束了全部的自由度，橋梁的整體剛度也得到提升［2］。依據(jù)改變后的立柱與主梁約束關(guān)系，建立相應(yīng)的有限元模型，通過相應(yīng)參數(shù)的代入，計(jì)算出結(jié)構(gòu)豎向振型、內(nèi)力及撓度。將計(jì)算結(jié)果與原結(jié)構(gòu)減震率對(duì)比可知，天橋第一階豎向振型的頻率得到較大提升，但與規(guī)定的振型頻率仍有差距，立柱與主梁約束關(guān)系改變后，豎向撓度方面得到了良好的控制，有效提升了天橋的減震效果。

2.3 增加立柱方案

在保證機(jī)動(dòng)車正常通行的前提下，在原立柱數(shù)量基礎(chǔ)上再新增3 個(gè)立柱，分別設(shè)置在立柱1 與2、立柱4 與5 之間，其中，立柱1 與2 之間設(shè)立1 個(gè)新的立柱，剩余2 個(gè)新的立柱設(shè)置在立柱4 與5 之間，頂部為了良好的支撐主梁，做箱型懸挑，截面為500 mm×500 mm［3］。立柱增加完成后，建立相應(yīng)的有限元模型，并計(jì)算出結(jié)構(gòu)豎向振型、內(nèi)力及撓度。將計(jì)算結(jié)果與原結(jié)構(gòu)減震效果對(duì)比可知，天橋第一階豎向結(jié)構(gòu)減震頻率顯著提升，且超過了規(guī)定的振型頻率，具有良好的減震效果。

3 結(jié) 語

受力性能與牢固性是環(huán)形鋼結(jié)構(gòu)人行天橋安全與否的兩個(gè)重要指標(biāo)，通過對(duì)受力性能的分析，了解天橋使用過程中受力性能的變化情況，并依據(jù)分析結(jié)果，選擇有效的加固方式。與TMD 控制相比，改變立柱與主梁關(guān)系及增設(shè)立柱的方案具有良好的減震效果和較高的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

［1］劉濤，王琛妹，張愛江.鋼結(jié)構(gòu)人行天橋典型病害分析與維修加固方法［J］.市政技術(shù)，2014，(4):75－77.

［2］馮鵬，金飛飛，葉列平.FRP 人行天橋的結(jié)構(gòu)性能與設(shè)計(jì)指標(biāo)研究［J］.建筑科學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2011，(3):14－22.［3］鄭洪濤，吳波，吳森鑫.環(huán)形鋼箱梁人行天橋荷載試驗(yàn)與承載能力分析［J］. 中國(guó)市政工程，2015，(1):90－93 +96 +106.