大跨徑環(huán)形人行天橋豎向自振頻率與撓度分析

羅民聲

（重慶交通大學 建筑與土木工程 重慶 400041）

大跨徑環(huán)形人行天橋豎向自振頻率與撓度分析

羅民聲

（重慶交通大學 建筑與土木工程 重慶 400041）

基于某大型鋼結構波形鋼腹板主梁人行天橋的設計，采用Midas Civil/2015有限元計算軟件研究分析大跨徑環(huán)形人行天橋結構設計的豎向自振頻率與撓度，驗證其是否滿足規(guī)范要求，避免結構豎向自振頻率和行人正常行走頻率相近從而引發(fā)共振，危機行人和結構安全。

大跨徑；環(huán)形人行天橋；波形鋼腹板；豎向自振頻率；撓度

1 工程概況

本文介紹的人行天橋位于國道 321線與深圳港口路交叉路口處，平面布置采用橢圓形，全橋為波形鋼腹板組合橋面結構。橋梁全長330米，橋寬6.4米，凈寬6米，寬度組成：0.2m（踢腳）+6m（人行道）+0.2m（踢腳），橋下國道321線與橋面凈空≥5.5米。本橋為八跨連續(xù)梁橋，沿逆時針方向布置為：45m+39m+39m+45m+51m+36m+36m+39m，全橋共設置8個橋墩。

2 結構計算及模型

為避免共振，減小行人不安全感，天橋上部結構豎向自振頻率不應小于3Hz[1]。根據(jù)以往工程設計經(jīng)驗，通常以結構豎向自振頻率控制天橋設計。計算豎向撓度時，計算撓度值不應超過L/500，其中L為計算跨徑[2]。人行天橋計算結果主要以豎向自振頻率、人群荷載豎向最大撓度、最不利組合荷載下構件最大豎向擾度三項指標控制。

2.1 計算模型

采用有限元分析軟件Midas Civil/2015模擬，共計268個單元（全橋均采用梁單元），252個節(jié)點。人行天橋以最大跨徑51米為控制橋跨，通過選取不同主梁結構高度以及邊界條件等因素進行對比分析，整體模型詳見圖1。

圖1 有限元計算模型示意圖

模型采用的單元類型、材料、截面形式見表1。

表1

2.1.1 計算荷載

⑴恒載：一期恒載：結構自重；二期恒載：包括橋面鋪裝、人行道欄桿等，經(jīng)計算為12.9kN/m均布荷載。

⑵人群荷載：人群荷載集度：3.129kN/m2。

⑶溫度荷載：采用梁截面溫度梯度[3]，系統(tǒng)升溫30℃，系統(tǒng)降溫-15℃。

2.2 模型對比分析

選取不同主梁截面高度下測得相應豎向自振頻率與撓度數(shù)據(jù)分析以及不同邊界條件下結構的剛度分析。

2.2.1 主梁高度

波形鋼腹板主梁截面梁高選取1.75m～2.75m共計5個工況（分別為1.75m、2m、2.25m、2.5m、2.75m），分別分析人行天橋豎向自振頻率、人群荷載最大豎向撓度和最不利組合荷載[4]下構件最大豎向撓度三項主要控制指標，具體結果見圖2～圖4。

圖2 結構豎向自振頻率圖（單位：Hz）

圖3 人群荷載最大豎向撓度圖（單位：mm）

圖4 最不利組合荷載最大豎向撓度圖（單位：mm）

由上述計算結果可以得出，豎向自振頻率與波形鋼腹板主梁梁高成正比，即隨著梁體結構慣性矩的增加而增大，結果與理論結論一致。截面高度在2.0m～2.75m的豎向自振頻率大于3Hz滿足規(guī)范要求。人群荷載和最不利組合荷載作用下豎向最大撓度與波形鋼腹板主梁梁高成反比，即隨著梁體剛度增加，理論撓度隨之減小，結果與理論結論一致。結合豎向自振頻率、人群荷載豎向最大撓度和最不利組合荷載豎向最大撓度三者數(shù)據(jù)綜合分析比較，雖然截面高度越大，結構豎向自振頻率越大，荷載作用下?lián)隙仍叫?，但后期變化效果不明顯，擇優(yōu)選取 2.25m作為波形鋼腹板主梁截面設計計算高度。

2.2.2 邊界條件

主梁邊界條件通過選用不同的約束條件模擬支座的選型，經(jīng)過對比分析最終確定4#和5#橋墩支座采用固定和單向活動支座，其余墩頂支座采用單向滑動支座和雙向滑動支座。如選用墩梁固結，雖然通過增加下部結構的合成剛度，可以提高整體結構的豎向自振頻率，但在梁體受力的過程中，特別是溫度應力的影響，梁體需要釋放法向應力，導致對下部結構剛度要求很高，因此下部結構需要做成粗大結構方能抵抗強大的法向應力作用[5]，而結合深圳實際的軟土地基的現(xiàn)狀，通過墩梁固結增加下部結構的合成剛度來提高整體結構的自振頻率效果較差，擇優(yōu)考慮主梁邊界條件為部分釋放法向約束。

下部結構八個圓柱墩與地面邊界條件全部定義為固接，作為整個結構的主要支撐，則需要全部固定以保證結構的整體穩(wěn)定性，即使超靜定次數(shù)更多，也要使結構處于一個更安定的條件下進行設計。

3 結語

波形鋼腹板主梁因其自重輕，可以有效降低人行天橋自重，提高結構豎向自振頻率同時也能降低結構自重引起的撓度，使得人行天橋在大跨徑下亦能保持豎向自振頻率和撓度滿足規(guī)范要求，波形鋼腹板的運用不僅解決了結構力學問題，其結構造型也為城市人行天橋增添色彩。城市建筑橋梁美觀已然成為城市橋梁設計的一項重要指標，設計出合理美觀的橋梁毅然是今后學者研究的重點方向之一。

[1]CJJ69-95，城市人行天橋與人行地道技術規(guī)范[S].北京：北京市市政工程研究院

[2]JTG D64-2015，公路鋼結構橋梁設計規(guī)范[S].北京：中交公路規(guī)劃設計院有限公司

[3]JTG D60-2015，公路橋涵設計通用規(guī)范[S].北京：中交公路規(guī)劃設計院有限公司

[4]CJJ11-2011，城市橋梁設計規(guī)范[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社

[5]張東，李琳，王玲玲.圓環(huán)形人行天橋關鍵技術分析[J].公路，2016（04）

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1007-6344（2017）02-0034-01