基于舒適性的人行天橋振動評價應(yīng)用

趙力國 許金玉 顧大鵬

(1.中交第一公路勘察設(shè)計研究院有限公司，陜西 西安 710075； 2.北京國道通公路設(shè)計研究院股份有限公司，北京 100053)

基于舒適性的人行天橋振動評價應(yīng)用

趙力國1許金玉2顧大鵬2

(1.中交第一公路勘察設(shè)計研究院有限公司，陜西 西安 710075； 2.北京國道通公路設(shè)計研究院股份有限公司，北京 100053)

針對大跨徑人行天橋振動評價問題，對比了國內(nèi)外關(guān)于天橋振動問題的規(guī)定，對某天橋方案進行了動力分析，并采用德國規(guī)范對該橋的人行舒適性進行了評價，指出該橋能達到行人的舒適性標準要求。

人行天橋,動力分析,舒適性評價，荷載

0 引言

隨著我國城市建設(shè)飛速發(fā)展，人行橋在我國交通建設(shè)中得到了廣泛應(yīng)用。近年來隨著科技進步，人行橋也向纖細美觀的方向發(fā)展，越來越多的天橋采用輕質(zhì)高強材料和特殊的造型。隨之而來的問題是人行橋因振動而不滿足舒適性要求，國內(nèi)規(guī)范要求滿足頻率要求，避開行人步頻，避免發(fā)生共振。而對于一些大跨徑鋼橋較難滿足要求，且為滿足要求而增大的梁高和增設(shè)的橋墩不經(jīng)濟且效果不明顯。

1 工程概況

該天橋為某高速公路擴建工程中新建天橋。橋梁結(jié)構(gòu)形式：主橋及引道橋均為等截面鋼箱連續(xù)梁，基礎(chǔ)為鉆孔灌注樁及剛性擴大基礎(chǔ)。

1.1 設(shè)計標準

1)荷載標準。

設(shè)計人群荷載:5 kN/m2，地震動峰值加速度：0.20g。

2)凈空標準。

主橋下方高速公路主、輔路凈空均大于5 m。

3)寬度標準。

主橋:全寬4.0 m，凈寬3.6 m，地袱寬2×0.2 m。

梯道引道橋。

全寬3.0 m，中間臺階踏步寬1.9 m，兩側(cè)自行車帶寬2×0.45 m。

坡道引道橋：全寬3.0 m，步道寬2.8 m，地袱寬2×0.1 m。

4)橋梁縱坡。

主橋:梁底豎曲線半徑500 m。

1.2 橋梁結(jié)構(gòu)

主橋為3孔(20+45+31.5)m全焊等截面鋼箱梁連續(xù)梁，箱梁水平投影總長99.5 m。主梁截面為單箱單室，梁高1.0 m，腹板間距為2.5 m，懸臂長0.75 m，全寬4 m。焊接鋼板采用Q235qD鋼，頂、底板、腹板厚為16 mm。主梁箱室內(nèi)設(shè)置加勁肋及橫隔板。立面布置為豎曲線加直線，梁底豎曲線半徑R=750 m。

梯道引道橋為鋼箱連續(xù)梁，截面為單箱雙室，梁高0.3 m，標準跨徑9.2 m，箱梁頂板即為臺階踏步，踏步寬0.40 m，高0.10 m。

坡道引道橋為鋼箱連續(xù)梁，截面為單箱雙室，梁高0.4 m，標準跨徑14 m。

橋型布置圖見圖1。

2 動力分析

計算采用 Midas軟件對橋梁結(jié)構(gòu)進行分析計算。根據(jù)此人行橋的結(jié)構(gòu)構(gòu)造特點，單位采用kN，m，s制，全橋離散為104個單元，110個節(jié)點。材料定義為線性各向同性Q235，彈性模量為2.1×108kN/m2，泊松比為0.3，材料密度為78 kN/m3。邊界約束條件為：中跨支座處設(shè)置鉸支座，其余設(shè)置滑動支座。模型如圖2所示。

人行橋人致振動與結(jié)構(gòu)的自振特性相關(guān)，只有激振頻率和自振頻率相當才會發(fā)生共振，所以，需要分析橋梁結(jié)構(gòu)的動力特性?？紤]本橋的振動情況，只考慮全橋的豎向振動，橋梁的振型如圖3所示。

從圖1～圖3中可以看出該橋如果按照1.0 m梁高計算結(jié)構(gòu)不能滿足我國天橋設(shè)計規(guī)范要求，fv，0=2.52 Hz<3.0 Hz。

3 人行橋振動舒適度評價

在對現(xiàn)有的人體振動舒適度評價方法進行總結(jié)研究的基礎(chǔ)上，提出一種適合計算分析人行天橋人群荷載和振動評價方法。

3.1 人行荷載的力學模型

人群在橋上行走時，人行荷載也是一種周期性荷載，通常人行荷載只引起較小的振動響應(yīng)；但當人行橋上人流量較大時，由于側(cè)向力頻率與橋梁橫向基頻接近，從而引起人群調(diào)整步伐以適應(yīng)振動，“集體同步”現(xiàn)象。這種現(xiàn)象是十分危險的，多數(shù)人致振動破壞天橋均為該種情況，為研究人行荷載，以歐洲規(guī)范相關(guān)規(guī)定進行了研究。

參考了英國規(guī)范、歐洲規(guī)范[1]等，本文采用德國人行橋設(shè)計指南[2]將行人進行了交通等級劃分，如表1所示。

表1 行人交通等級和密度

根據(jù)我國特點，考慮人—橋相互作用效果之后，參考德國規(guī)范，作用在人行橋上的人行荷載為：

p(t)=P·cos(2πfv,0t)·n′·ψ

(1)

式中：n′——與橋上自由行走的n個人的效應(yīng)等效的同步行走人數(shù)；

P——荷載幅值，見表2；

ψ——考慮行人步頻接近結(jié)構(gòu)基頻變化臨界值引起的折減系數(shù)，具體取值見圖4。

表2 荷載模型中P的取值

3.2 舒適性評價指標

人體舒適性是一個復雜的評價體系，目前，國內(nèi)外還沒有統(tǒng)一的舒適度指標，但國內(nèi)外已經(jīng)有相關(guān)的標準和規(guī)范中有類似的評價指標。如，鐵路列車的Janeway舒適度系數(shù)、歐洲ECCS規(guī)范指標、ISO10137規(guī)范指標、英國規(guī)范BS5400和我國列車車體加速度指標等。

綜合現(xiàn)有關(guān)于舒適度指標值的研究采用英國規(guī)范BS5400[3]要求豎向的響應(yīng)峰值加速度允許值為：

(2)

其中，fv,0為結(jié)構(gòu)豎向振動基頻。

3.3 舒適性評價

在計算人行天橋結(jié)構(gòu)固有頻率時，參考了文獻[4]給出的結(jié)論：當行人的模態(tài)質(zhì)量大于橋梁主梁模態(tài)質(zhì)量的5%時，應(yīng)在計算動力特性時計入行人的質(zhì)量。經(jīng)過計算如果按照四等交通狀態(tài)進行核算，本橋行人的模態(tài)質(zhì)量大于橋梁主梁模態(tài)質(zhì)量的14%，因而計算考慮行人的模態(tài)質(zhì)量，則橋梁基頻fv,0=2.12 Hz。

采用Midas軟件對結(jié)構(gòu)進行了時程分析，對于時程分析比較重要的部分是確定結(jié)構(gòu)阻尼比，參考已有研究成果，考慮到本工程屬于鋼結(jié)構(gòu)，參考文獻[5]給出的國外規(guī)范和人行橋阻尼比實測結(jié)果，其中鋼結(jié)構(gòu)人行天橋的平均阻尼比約為 0.4%。本結(jié)構(gòu)采用阻尼比為0.4%。

單人荷載采用德國規(guī)范規(guī)定的人群荷載，取第四等級進行驗算得到：

p(t)=P·cos(2πfv,0t)·n′·ψ=0.094·cos(2πfv,0t)(kN)。

4 結(jié)語

本文以北某天橋工程設(shè)計為依托，綜合研究了國內(nèi)外對大跨度人行天橋振動舒適性的評估標準，對結(jié)構(gòu)進行了動力分析，給出了工程的舒適性評價，說明德國規(guī)范的舒適性評價對大跨度鋼天橋振動評價相對更為合理。

[1] European Committee for Standardization.EN 1990:2002/ A1:2005.Euro code Basis of structural design. Application for bridges[S].

[2] EN 03，Design of Footbridges-Guideline[S].

[3] BS 5400，steel，Concrete and Composite Bridges，UK：British Standards Association[S].

[4] 陳政清，華旭剛.人行橋的振動與動力設(shè)計[M].北京：人民交通出版社，2009.

[5] Bachmann H. Human response to vibrations[C]. Institute of Structural Engineering,ETH:Vibration Problems in Structures:Practical Guidelines.Basel,Birkh?user Verlag,1995.

Abstract: According to the vibration evaluation of the large-span pedestrian overpasses, the paper compares the regulation on the overpass vibration at home and abroad, undertakes the dynamic analysis of some overpass scheme, undertakes the evaluation of the pedestrian comfort in the regulation of German, and points out the bridge can meet the comfort standards.

Key words: pedestrian overpass, dynamic analysis, comfort evaluation, loading

On vibration evaluation of pedestrian overpasses based on comfort

Zhao Liguo1Xu Jinyu2Gu Dapeng2

(1.CCCCFirstRoadSurveyandDesignInstituteCo.,Ltd,Xi’an710075,China; 2.BeijingGuodaotongHighwayDesignandResearchInstituteCo.,Ltd,Beijing100053,China)

2016-03-15

趙力國(1984- )，男，工程師； 許金玉(1971- )，女，高級工程師； 顧大鵬(1985- )，男，高級工程師

1009-6825(2016)15-0171-02

U443.15

A