鋼箱梁人行天橋設(shè)計(jì)與自振頻率影響因素分析

段騰飛 朱俊樸

摘要：本文通過對某鋼箱梁人行天橋的工程設(shè)計(jì)及計(jì)算分析，總結(jié)出鋼箱梁人行天橋設(shè)計(jì)過程中如何有效提高鋼箱梁天橋自振頻率，供鋼箱梁人行天橋設(shè)計(jì)從業(yè)者參考。

關(guān)鍵詞：人行天橋、自振頻率、橋梁設(shè)計(jì)

1引言

人行天橋在設(shè)計(jì)過程中，不僅要求結(jié)構(gòu)安全可靠，為保證行人行走舒適度，避免人橋共振，對天橋的豎向自振頻率也有一定的要求?，F(xiàn)行規(guī)范《城市人行天橋與人行地道技術(shù)規(guī)范》CJJ 69-95中明確要求天橋上部結(jié)構(gòu)豎向自振頻率不應(yīng)小于3Hz，深圳市地方設(shè)計(jì)指引要求更高，《深圳市人行天橋和連廊設(shè)計(jì)指引》中要求天橋上部結(jié)構(gòu)不低于4Hz。本文結(jié)合某鋼箱梁人行天橋工程設(shè)計(jì)，計(jì)算分析出對鋼箱梁天橋自振頻率的影響因素，供鋼箱梁人行天橋設(shè)計(jì)者參考。

2項(xiàng)目概況

項(xiàng)目位于廣州市番禺區(qū)，為新建醫(yī)院配套過街天橋。天橋呈“工”字型布置，由于道路無中央綠化，主橋采用單跨簡支梁結(jié)構(gòu)，垂直跨越地面道路。根據(jù)場地條件，梯道采用雙邊接地型式，在主梁兩端設(shè)置有四幅直線形樓梯。天橋采用1×30m簡支鋼箱梁，天橋凈寬為4m，總寬為5.3m。

3橋梁設(shè)計(jì)

3.1 主要材料

1）鋼材：主橋鋼箱梁Q355C。

2）鋼筋：HRB400、HPB300。

3）混凝土：樓梯、橋墩C40砼、承臺C35砼、樁基C30水下砼。

3.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

主橋上部結(jié)構(gòu)采用1×30m簡支鋼箱梁結(jié)構(gòu)，標(biāo)準(zhǔn)橫斷面采用單箱雙室，梁高1.3m，橋?qū)挒?.3m，主橋橋墩采用鋼筋混凝土板式墩，采用矩形加圓角變截面墩，主橋橋墩與鋼箱梁通過支座連接。鋼箱梁橫斷面如下圖所示。

4結(jié)構(gòu)建模分析

4.1 荷載取值

4.1.1 恒荷載

1）結(jié)構(gòu)自重：Midas civil 2019軟件自動計(jì)入，橫隔板通過節(jié)點(diǎn)荷載加載，按3KN計(jì)。

2）橋面鋪裝：9.6kN/m。

3）欄桿：1.1kN/m（單側(cè)）。

4）花槽：5kN/m（單側(cè)）。

合計(jì)：21.8KN/m

4.1.2 活載

1）根據(jù)《城市人行天橋與人行地道技術(shù)規(guī)范》第3.1.3.2條計(jì)算。

2）溫度荷載：整體升降溫±30℃。

4.2 結(jié)構(gòu)計(jì)算分析

根據(jù)《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》JTG D60-2015，簡支梁橋的

自振頻率計(jì)算公式為 ，影響鋼箱梁天橋自振頻率的因

素有橋梁跨徑，截面慣性矩以及質(zhì)量。而在截面寬度一定的條件下，影響截面慣性矩有梁高、截面板厚、加勁肋，影響質(zhì)量的因素有結(jié)構(gòu)自重，橋面鋪裝、欄桿、花槽、雨棚等二期恒載，另外主橋的邊界條件也會影響主橋結(jié)構(gòu)的自振頻率。本文通過運(yùn)用Midas civil 2020計(jì)算不同工況下鋼箱梁結(jié)構(gòu)的自振頻率，分析出各種因素對簡支鋼箱梁天橋影響程度，確定提高鋼箱梁天橋自振頻率的有效措施。

4.2.1 橋梁跨徑對鋼箱梁天橋自振頻率的影響

為研究橋梁跨徑對鋼箱梁天橋自振頻率的影響，運(yùn)用軟件計(jì)算了1×30m、1×27m、1×24m三種不同跨徑下天橋的自振頻率。三種跨徑模型采用相同的截面、荷載及邊界條件，計(jì)算結(jié)果如下表所示：

從表1可以看出，隨著天橋跨徑的減少，天橋頻率增幅較大，且跨徑減少幅度越大，頻率增幅效果越明顯。因此，在滿足橋下功能的前提下，可通過減少天橋跨徑有效提高天橋的頻率。

4.2.2 梁高對鋼箱梁天橋自振頻率的影響

計(jì)算模型選取1×30m簡支鋼箱梁天橋，橋?qū)?.3m，在荷載及邊界條件不變的條件下，通過改變模型截面梁高計(jì)算出不同梁高情況下的鋼箱梁天橋自振頻率，計(jì)算結(jié)果如下表所示。

從表2可以看出，在其他條件相同的情況下，天橋頻率隨梁高的增加而增大，頻率增幅與梁高變化呈線性關(guān)系，增幅效果較明顯。因此，加大梁高是提高天橋頻率的有效途徑。

4.2.3 板厚對鋼箱梁天橋自振頻率的影響

同樣選取1×30m簡支鋼箱梁天橋，橋?qū)?.3m，梁高1.3m模型，荷載及邊界條件不變的情況下，改變鋼箱梁截面頂板、底板厚度，計(jì)算結(jié)果如下表所示。

從表3可以看出，板厚增加10%，頻率僅增加0.2%，鋼箱梁截面頂?shù)装搴穸葘μ鞓虻念l率有一定影響，但效果不明顯，在設(shè)計(jì)過程中，在滿足結(jié)構(gòu)受力的條件下，應(yīng)盡可能采用薄板，節(jié)約鋼材。

4.2.4 加勁肋對鋼箱梁天橋自振頻率的影響

計(jì)算選取1×30m簡支鋼箱梁天橋，橋?qū)?.3m，梁高1.3m模型，在其他條件不變的情況下，計(jì)算選取了肋高相同的板肋、T肋、U肋截面進(jìn)行計(jì)算分析，計(jì)算結(jié)果如下表所示。

從表4可以看出，改變加勁肋形式對鋼箱梁天橋自振頻率頻率的影響非常小，在設(shè)計(jì)過程中，在滿足結(jié)構(gòu)受力的前提下，應(yīng)盡可能選擇構(gòu)造簡單，施工方便的板肋。

4.2.5 二期恒載對鋼箱梁天橋自振頻率的影響

計(jì)算選取1×30m簡支鋼箱梁天橋，橋?qū)?.3m，梁高1.3m模型，荷載及截面不變的情況下，通過改變二期恒載的大小來分析二期恒載對天橋頻率的影響，計(jì)算結(jié)果如下表所示。

從表5可以看出，二期恒載對鋼箱梁天橋自振頻率影響較大，為提高天橋頻率，可取消天橋花槽、雨棚等非必要的二期恒載，天橋鋪裝盡量選取容重小、厚度薄的鋪裝形式。

4.2.6 邊界條件對鋼箱梁天橋自振頻率的影響

我們知道，改變天橋的邊界條件可提高天橋結(jié)構(gòu)的剛度，天橋頻率也會受到影響，為研究不同邊界條件下，鋼箱梁天橋自振頻率的變化情況，計(jì)算選取了三種不同邊界條件的模型，均采用1×30m單跨鋼箱梁，其他條件不變，計(jì)算結(jié)果如下表所示：

從表5可以看出，邊界條件對鋼箱梁天橋自振頻率影響很大，固結(jié)天橋支點(diǎn)可大幅提高天橋自振頻率，但墩梁固結(jié)會使橋墩承受較大的彎矩，固結(jié)兩個支點(diǎn)主梁會產(chǎn)生較大的溫度應(yīng)力，設(shè)計(jì)過程中應(yīng)注意邊界條件的合理選取。

5結(jié)語

影響鋼箱梁天橋自振頻率的影響因素有很多，設(shè)計(jì)過程應(yīng)結(jié)合工程實(shí)際情況合理選取橋梁跨徑、截面尺寸、邊界條件及橋面附屬結(jié)構(gòu)形式。為提高天橋的自振頻率，可通過減少橋梁跨徑，加大梁高、減少二期恒載、墩梁固結(jié)措施有效提高天橋頻率。而鋼箱梁鋼板厚度及加勁肋形式對天橋自振頻率影響程度較小，從減少用鋼量，降低工程造價(jià)及方便施工的角度考慮，建議鋼箱梁采用較薄的板厚，采用構(gòu)造簡單板肋。

參考文獻(xiàn)：

[1]中華人民共和國建設(shè)部.《城市人行天橋與人行地道技術(shù)規(guī)范》CJJ 69-95，1996.09.

[2]深圳市交通運(yùn)輸委員會 《深圳市人行天橋和連廊設(shè)計(jì)指引》，2017.04.

[3]中華人民共和國交通運(yùn)輸部.《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》JTG D60-2015，2015，12.