大跨度鋼結(jié)構(gòu)人行天橋受力分析

摘要：人行天橋的設(shè)計(jì)和建造日益復(fù)雜，尤其是針對(duì)跨越較寬道路或復(fù)雜地形的大跨度鋼結(jié)構(gòu)人行天橋，其受力分析與設(shè)計(jì)顯得尤為重要。以博茨瓦納洛巴策CBD跨鐵路人行天橋項(xiàng)目為研究對(duì)象，通過靜載試驗(yàn)、環(huán)境振動(dòng)試驗(yàn)及無障礙跑動(dòng)試驗(yàn)，得出天橋在4種工況下的撓度、應(yīng)變、自振基頻及最大響應(yīng)加速度，并借助有限元軟件進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，將實(shí)測(cè)值與理論計(jì)算值進(jìn)行對(duì)比。研究結(jié)果表明：在4種工況下天橋的靜力承載能力及彈性狀態(tài)較好，總體上撓度和應(yīng)變的校驗(yàn)系數(shù)及相對(duì)殘余均達(dá)到規(guī)范要求；各工況下天橋的最大響應(yīng)加速度均小于1m/s2，舒適性較好，其中在工況一和工況二條件下天橋自振基頻小于3Hz不滿足規(guī)范要求。

關(guān)鍵詞：大跨度；撓度；人行天橋；應(yīng)變

0" "引言

人行天橋作為道路和交通設(shè)施的延伸，可以有效地分隔行人和車輛，保障行人的安全通行，減少交通事故的發(fā)生[1]。大跨度人行天橋由于其較大的跨度和高度，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)變得更加復(fù)雜，對(duì)于材料的選擇、受力分析、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性等方面提出了更高的要求[2-3]。

目前，已經(jīng)有多位學(xué)者對(duì)人行天橋的力學(xué)性能進(jìn)行了研究，蔡貴春等[4]采用有限元方法對(duì)大型鋼結(jié)構(gòu)人行景觀天橋進(jìn)行了靜力學(xué)、溫度應(yīng)力、動(dòng)力學(xué)模態(tài)和初步的抗震能力分析，并與橋自重作用下的最大豎向位移和實(shí)際觀測(cè)結(jié)果進(jìn)行了比較。孫利民等[5]通過比較國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)人行天橋人行激勵(lì)豎向振動(dòng)進(jìn)行了研究，并探討了針對(duì)側(cè)向人行激振的振動(dòng)使用性設(shè)計(jì)方法。孫成永等[6]以合肥市一現(xiàn)役環(huán)形鋼結(jié)構(gòu)人行天橋?yàn)檠芯繉?duì)象，通過現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)和有限元分析，發(fā)現(xiàn)其需要加固，并通過分析和比較選定增加立柱的方案為最優(yōu)加固方案。

雖然目前關(guān)于人行天橋的設(shè)計(jì)和建造已有大量的研究成果和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，但對(duì)大跨度鋼結(jié)構(gòu)人行天橋的受力分析研究相對(duì)較少?；诖耍疚囊圆┐耐呒{洛巴策CBD跨鐵路人行天橋項(xiàng)目為研究對(duì)象，對(duì)其受力特性開展研究。

1" "工程概況

所研究項(xiàng)目位于洛巴策市中心地段，建成后將洛巴策市火車站、汽車站、商業(yè)街以及新建購(gòu)物中心連接起來，極大方便了洛巴策人民的出行和購(gòu)物，促進(jìn)當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)發(fā)展。該項(xiàng)目分別橫跨7條既有鐵路線和雙線主干公路，3個(gè)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)形式為筏板基礎(chǔ)。

現(xiàn)澆鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)為其墩柱結(jié)構(gòu)形式，中部建有橋上便民商店，橋梁為鋼結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)支梁橋。鐵路段跨徑39.6m， 公路段跨徑25.2m，梁高1.65m， 橋面寬4.15m， 鋼結(jié)構(gòu)弧形頂棚結(jié)構(gòu)形式。天橋完工后效果圖如圖1所示。橋梁類型、跨徑和尺寸等信息如表1所示。

2" "試驗(yàn)方案

2.1" "儀器準(zhǔn)備

靜載試驗(yàn)是通過施加靜態(tài)荷載，檢測(cè)和評(píng)估天橋在不同工況下的結(jié)構(gòu)響應(yīng)和變形情況，主要包括測(cè)試天橋在不同荷載下的撓度，橋梁結(jié)構(gòu)中的應(yīng)力分布情況等項(xiàng)目。準(zhǔn)備的主要測(cè)試儀器包括精密水準(zhǔn)儀、應(yīng)變測(cè)試儀和弓形應(yīng)變計(jì)等。

2.2" "測(cè)點(diǎn)布置

共布置2個(gè)撓度測(cè)點(diǎn)和5個(gè)應(yīng)變測(cè)點(diǎn)，撓度測(cè)點(diǎn)布設(shè)在位于天橋跨中位置測(cè)試截面的兩側(cè)，應(yīng)變測(cè)點(diǎn)布置在測(cè)試截面的梁底和腹板上，其中梁底布置3個(gè)，腹板布置2個(gè)。

2.3" "靜載試驗(yàn)

在進(jìn)行靜載試驗(yàn)時(shí)，將尺寸為長(zhǎng)2.5m、寬2.0m、高1.1m的水袋均勻放置在人行天橋主跨徑范圍內(nèi)，采用分級(jí)慢速加水的方式進(jìn)行加載，所需水袋個(gè)數(shù)及加載總質(zhì)量按照下式計(jì)算：

0.85≤η≤1.05" " " " " " "（1）

式中：η為靜力試驗(yàn)荷載效率。通過計(jì)算得知，本次試驗(yàn)共需水袋6個(gè)，加載總質(zhì)量34t。

加載共分3級(jí)進(jìn)行，在加載前應(yīng)先對(duì)梁體進(jìn)行預(yù)載，以減少結(jié)構(gòu)塑性變形對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響。每級(jí)加載至水袋內(nèi)水位到達(dá)預(yù)設(shè)高度，待各控制測(cè)點(diǎn)傳感器數(shù)據(jù)穩(wěn)定并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集后，方可進(jìn)行下一級(jí)加載。

2.4" "動(dòng)力試驗(yàn)

動(dòng)力試驗(yàn)主要包括環(huán)境振動(dòng)試驗(yàn)和無障礙跑動(dòng)試驗(yàn)。環(huán)境振動(dòng)試驗(yàn)是為了得到天橋的自振基頻。無障礙跑動(dòng)試驗(yàn)是為了獲得在行人跑動(dòng)情況下人行天橋的動(dòng)力響應(yīng)。環(huán)境振動(dòng)試驗(yàn)原理是在天橋震動(dòng)的一階振幅最大位置處布設(shè)傳感器，在天橋上無荷載作用，僅在環(huán)境激勵(lì)條件下，在固定時(shí)間段內(nèi)采集人行天橋的振動(dòng)信號(hào)，通過進(jìn)一步處理后得到天橋的自振基頻。

3" "試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1" "靜力試驗(yàn)結(jié)果分析

本研究借助有限元軟件，依據(jù)前文所述不同工況下人行天橋的相關(guān)參數(shù)，建立大跨度鋼結(jié)構(gòu)人行天橋數(shù)值計(jì)算模型，模型共有梁?jiǎn)卧?3個(gè)。計(jì)算人行天橋在試驗(yàn)加載總質(zhì)量及設(shè)計(jì)荷載作用下的受力特性，并將實(shí)際測(cè)試結(jié)果與理論計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比較，從而評(píng)估橋梁的穩(wěn)定性及承載性能。

3.1.1" "主要指標(biāo)計(jì)算

以校驗(yàn)系數(shù)和相對(duì)殘余作為評(píng)價(jià)人行天橋靜力性能的主要指標(biāo)。校驗(yàn)系數(shù)用于驗(yàn)證天橋撓度和應(yīng)變的測(cè)量結(jié)果與理論計(jì)算值之間的準(zhǔn)確性。若校驗(yàn)系數(shù)接近1，表示實(shí)測(cè)值與理論值高度吻合，測(cè)試結(jié)果的準(zhǔn)確性較高，按照下式計(jì)算：

（2）

式中：ζ為校驗(yàn)系數(shù)；Se，m、Se，c分別代表?yè)隙然驊?yīng)變的實(shí)測(cè)值與計(jì)算值。

相對(duì)殘余是指天橋卸載后測(cè)量值與滿載實(shí)測(cè)值之間的偏差，通常以百分比形式表示。相對(duì)殘余值越小，表示天橋在卸載后工作狀態(tài)和受力性能越好，按照下式計(jì)算：

（3）

式中：Sp'為相對(duì)殘余，Sp和St分別表示殘余撓度或應(yīng)變的實(shí)測(cè)值及測(cè)點(diǎn)的總撓度或應(yīng)變實(shí)測(cè)值。

3.1.2" "撓度校驗(yàn)系數(shù)分析

圖2是4種工況下人行天橋的撓度校驗(yàn)系數(shù)分布圖。從圖2中可以看出，在工況一條件下天橋撓度校驗(yàn)系數(shù)為1.03，＞1。而相關(guān)人行天橋檢測(cè)規(guī)范中規(guī)定，人行天橋的撓度檢驗(yàn)系數(shù)不超過1。分析其原因有兩點(diǎn)：一是由于實(shí)測(cè)得到的撓度數(shù)據(jù)受到傳感器精度、測(cè)量方法等誤差的影響，二是試驗(yàn)加載與數(shù)值計(jì)算的加載及布載存在微小差別。

另外3種工況下人行天橋的撓度校驗(yàn)系數(shù)分布在0.8～0.95之間，均滿足規(guī)范要求。4種工況下鋼結(jié)構(gòu)人行天橋的高跨比在0.029～0.035之間，撓度校驗(yàn)系數(shù)均滿足承載性能要求，總體上該橋梁受力情況良好。

3.1.3" "撓度相對(duì)殘余分布分析

圖3為4種工況下人行天橋撓度相對(duì)殘余分布圖。由圖3可知，各工況下天橋的撓度相對(duì)殘余分別是1.42%、6.29%、13.35%和2.46%，其中工況三條件下天橋的撓度相對(duì)殘余較大，整體上均滿足相關(guān)規(guī)范中要求的，人行天橋撓度相對(duì)殘余不超過20%的規(guī)定，且4種工況下鋼結(jié)構(gòu)人行天橋的撓度相對(duì)殘余均滿足承載性能要求。

3.1.4" "應(yīng)變校驗(yàn)系數(shù)分析

各工況下人行天橋的應(yīng)變校驗(yàn)系數(shù)分布圖如圖4所示。從圖4可知，4種工況下天橋的應(yīng)變校驗(yàn)系數(shù)分別是0.66、0.43、0.74和0.8，均滿足規(guī)范中要求的應(yīng)變校驗(yàn)系數(shù)不超過1的規(guī)定。此外，天橋的整體強(qiáng)度情況較好，結(jié)構(gòu)具有較好的靜力承載能力。

3.1.5" "應(yīng)變相對(duì)殘余分布分析

不同工況下天橋的應(yīng)變相對(duì)殘余分布圖如圖5所示。從圖5可知，天橋應(yīng)變相對(duì)殘余分別是15.14%、13.58%、3.35%和6.04%，均未超過20%，滿足規(guī)范要求。各工況下人行天橋在卸載后能夠在短暫時(shí)間內(nèi)恢復(fù)至起始狀態(tài)，表明橋梁結(jié)構(gòu)彈性狀態(tài)良好。

3.2" "動(dòng)力試驗(yàn)結(jié)果分析

3.2.1" "自振基頻分布分析

圖6是4種工況下人行天橋結(jié)構(gòu)豎向最低自振基頻分布圖。觀察圖6可以發(fā)現(xiàn)，天橋的自振基頻隨著橋梁跨徑的減小和高跨比的增加呈現(xiàn)出逐漸增加的趨勢(shì)。各工況下天橋的最低豎向自振基頻分別是2.54Hz、2.74Hz、3.92Hz和5.09Hz，根據(jù)規(guī)范要求，人行天橋橋梁結(jié)構(gòu)的最低豎向自振基頻應(yīng)大于3Hz，因此天橋在工況一、工況二條件下自振基頻不能滿足規(guī)范要求。

3.2.2" "最大響應(yīng)加速度分布分析

不同工況下人行天橋的最大響應(yīng)加速度分布圖如圖7所示。由圖7可知，在不同的橋梁跨徑和高跨比條件下，橋梁在行人無障礙跑動(dòng)測(cè)試中最大響應(yīng)加速度分布較散亂，均未呈現(xiàn)出明顯規(guī)律。

各工況下天橋的最大響應(yīng)加速度分別是0.076m/s2、0.338m/s2、0.106m/s2和0.406m/s2，均小于1m/s2，表明人行天橋在受到行人無障礙跑動(dòng)激勵(lì)時(shí)，振動(dòng)響應(yīng)較小，為行人提供了相對(duì)舒適和安全的通行環(huán)境。

4" "結(jié)束語(yǔ)

為了探究大跨度鋼結(jié)構(gòu)人行天橋的受力特性，本文以博茨瓦納洛巴策CBD跨鐵路人行天橋項(xiàng)目為研究對(duì)象，通過靜力及動(dòng)力試驗(yàn)并借助數(shù)值分析軟件對(duì)4種工況下的人行天橋進(jìn)行了受力分析，得出以下結(jié)論：

工況一條件下天橋撓度校驗(yàn)系數(shù)為1.03大于1，另外3種工況下人行天橋的撓度校驗(yàn)系數(shù)分布在0.8～0.95之間，總體上各天橋的撓度校驗(yàn)系數(shù)及相對(duì)殘余均滿足承載能力要求。4種工況下天橋的應(yīng)變校驗(yàn)系數(shù)均小于1，應(yīng)變相對(duì)殘余均不超過20%，天橋的靜力承載能力和彈性狀態(tài)均較好。天橋的自振基頻隨著橋梁跨徑的減小逐漸增加，隨著天橋高跨比的增加逐漸增大，其中工況一和工況二條件下天橋自振基頻小于3Hz，不能滿足規(guī)范要求。各工況下天橋最大響應(yīng)加速度均小于1m/s2，且隨橋梁跨徑和高跨比的變化無明顯規(guī)律。

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