人行天橋動力性能研究

李興正，王立峰，郭 宏，諶彩霞

(東北林業大學土木工程學院)

1 引言

近年來，我國的城市交通逐漸發達，為了完善城市路網的功能，方便市民安全出行。同時又不影響行車的舒適度，減少城市道路的擁堵情況，各大城市陸續興建了很多人行天橋。鑒于城市規劃和施工工期的限制，城市人行天橋通常選用鋼箱梁結構。由于鋼箱梁結構自重較輕、剛度較小，相比混凝土橋梁而言其動力性能較差，動力作用更容易影響行人通行的安全感和舒適度。《城市人行天橋與人行地道技術規范》對于人行天橋的豎向自振頻率做出規定，要求人行天橋上部結構的自振頻率不能小于3Hz，由此可見，相比公路橋梁而言，人行天橋的動力性能有更明確的要求。本文應用結構分析軟件對哈爾濱市一座鋼箱梁人行天橋進行了動力分析，給出了其自振特性及相關減振的措施，能夠為同類橋型的設計與計算提供必要的指導。

2 工程概況

哈爾濱市某人行天橋為單跨雙懸臂的簡支鋼箱梁結構形式，該橋總長45.0 m，其中主跨41.5 m，兩側懸臂長度1.75 m，箱梁高度為1.3 m，橋面寬3.5 m，主橋鋼箱梁采用16 Mn鋼板，橋梯除主梁部分采用16 Mn鋼板之外，其余均采用A3鋼板;橋面鋪裝材料為50 mm厚的防水混凝土，混凝土內設置φ6@100鋼筋網，上側鋪設18 mm厚的火燒板。

3 動力性能分析

3.1 有限元模型的建立

本文通過應用有限元分析軟件MIDAS對該人行天橋進行動力性能分析。模型的建立考慮該橋縱向的曲線線形，鋼箱梁采用一般的梁單元進行模擬，考慮了橫隔板構造、橋面鋪裝和行人荷載采用均布荷載進行模擬。有限元模型如圖1所示。

圖1 所建立的有限元模型

3.2 自振特性分析

MIDAS軟件中對自振特性的計算不同于集中質量法，采用的是利茲算法。首先把所有的荷載轉化為質量，再通過有限元法對結構進行離散分析，可以比較精確地計算出橋梁的自振特性，對本文所研究的人行天橋進行有限元動力計算所得出的前5階自振頻率見表1。

第一階自振模態如圖2所示。

圖2 一階自振模態圖

表1 計算出的前5階自振頻率(一)

結合表1和圖2可以看出，該橋的一階自振頻率計算值為1.466，模態表現為對稱豎彎。一階自振頻率值比規范要求的3 Hz要小。因此，為滿足要求，需要采取必要的措施提高其自振頻率，其一階模態與一般單跨梁橋的模態相符，都表現為對稱豎彎。

3.3 結構自振頻率的提高措施

為了理解自振頻率的影響因素，特給出自振頻率的計算公式(集中質量法)

式中:[K］表示的是結構的剛度矩陣;{φl}表示的是第1階的振型向量;ω21表示的是第1階振型的特征值;[M］表示的是結構的剛度矩陣。

結合式(1)能夠看出結構的自振頻率由其自身的剛度和質量分布決定，因而提高頻率的有效方法就是增大剛度，減小質量。就鋼箱梁而言，采用加厚鋼板的方法增加的剛度和質量基本是等效的，對于增大頻率的效果并不明顯，同時增加鋼板的厚度還會增加工程造價，可見這不是首選的措施。

在橋梁設計中，如果跨徑和結構形式已經選定，那么采用不同的支承條件會對結構的剛度產生很大的影響，本文所涉及的人行天橋采用的是雙支座的簡支約束，如果考慮增加邊界約束，即改靜定結構為超靜定結構，按照此想法對原結構的邊界條件進行修改，把箱梁兩端的雙排簡支約束中的一個修改為固定約束，按照修改邊界后進行自振頻率的計算，所得出的前5階自振頻率如表2所示，一階自振模態如圖3所示。

表2 計算出的前5階自振頻率(二)

圖3 一階自振模態圖(修改邊界后)

結合表2和圖3并對比表1和圖2，可以看出，修改邊界后，一階自振模態仍表現為對稱豎彎，只是幅值較簡支狀態下減小，而一階自振頻率增大為4.104，較原來的簡支狀態下頻率有大幅增加，達到了規范的要求。

4 結論

本文通過對一座單跨雙懸臂的簡支鋼箱梁人行天橋進行動力分析，計算出其自振頻率和相應的模態特征。計算結果表明，原簡支結構的一階自振頻率為1.466，不能滿足規范中大于3 Hz的要求。本文擬采取修改原橋梁支承形式的措施，經過對邊界修改后的人行天橋，再次進行計算，得出新的一階自振頻率為4.104，能夠滿足規范的要求。

[1]白捷，徐地升，曹云枝.鋼結構人行天橋的動力分析與設計[J］.山西建筑，2010，(4):339-340.

[2]陳華建.人行天橋動力性能研究[J］.福建建設科技，2012，(4):82-84.

[3]李天宇.大慶市某人行天橋動力性能研究[D］.大慶:東北石油大學，2010.