鋼箱梁與鋼桁架人行天橋力學性能對比分析★

申楊凡 續琦峰 楊 斌 王紹全 郭凱強 王艷琪 賈艷敏*

(東北林業大學土木學院，黑龍江 哈爾濱 150040)

·橋梁·隧道·

鋼箱梁與鋼桁架人行天橋力學性能對比分析★

申楊凡 續琦峰 楊 斌 王紹全 郭凱強 王艷琪 賈艷敏*

(東北林業大學土木學院，黑龍江 哈爾濱 150040)

為了分析并對比鋼箱梁與鋼桁架人行天橋的力學性能，建立了兩者的ANSYS有限元計算模型，通過靜力分析，得出鋼桁架人行天橋的承載力更大，通過動力特性分析，鋼桁架人行天橋較鋼箱梁人行天橋更易產生扭轉，且鋼箱梁的自振頻率較鋼桁架的自振頻率要大。

鋼箱梁，鋼桁架，人行天橋，力學性能

近年來，隨著城市交通系統的逐漸完善，人行天橋的建設十分迅速，我國人行天橋多以鋼箱梁和鋼桁架人行天橋為主[1]，鋼箱梁人行天橋具有輕質高強、結構設計簡單、施工方便等優勢[2]，然而鋼桁架人行天橋較鋼箱梁人行天橋的承載能力更強，且在結構的施工過程中也突顯出了加工質量易于控制、施工吊裝方便等諸多優點[3]。此外，鋼桁架人行天橋的用鋼量較鋼箱梁人行天橋有較明顯的優勢[1]，但對鋼桁架人行天橋豎向頻率的控制需要受到設計者的特別注意[4]。上述諸多研究表明鋼箱梁人行天橋與鋼桁架人行天橋具有一定的可對比性，但國內諸多學者對兩者力學性能的對比研究中有所欠缺。

本文通過對等跨度鋼箱梁和鋼桁架人行天橋建立ANSYS有限元模型，并通過靜力分析和動力特性分析，對比研究鋼箱梁與鋼桁架人行天橋的力學性能，所得結論可為人行天橋的相關標準的制定提供參考依據。

1 計算模型

1.1 鋼箱梁人行天橋計算模型

鋼箱梁人行天橋單跨40 m，箱梁高度為1.1 m，橋面寬為3.3 m，所用材料為A3鋼，圖1為鋼箱梁人行天橋橫斷面，鋼箱梁的有限元模型采用Beam188單元，邊界條件按簡支約束處理并對橋梁施加自重，圖2為鋼箱梁人行天橋計算模型。

1.2 鋼桁架人行天橋計算模型

鋼桁架人行天橋計算模型單跨40 m，橋面寬為3.3 m，橋面板厚度為8 mm，所用材料為A3鋼，上弦桿、下弦桿及下弦桿的橫向連接桿為300 mm×300 mm×20 mm的方鋼管，腹桿及上弦桿的橫向連接桿為φ180×12 mm圓鋼管[1]，圖3為鋼桁架人行天橋橫斷面，在鋼桁架人行天橋有限元模型中，桿件采用Beam188單元，橋面板采用Shell181單元，邊界條件按簡支約束處理并施加自重，圖4為鋼桁架人行天橋計算模型。

2 靜力分析

CJJ 69—95城市人行天橋與人行地道技術規范中對梁、桁架等大跨結構的人群荷載是根據不同加載長度所規定的，經上述規范中所給出的公式計算得人群荷載為4.1 kN/m2[5]，對鋼箱梁及鋼桁架人行天橋計算模型施加人群荷載，求解得到靜力分析數據。

2.1 鋼箱梁人行天橋靜力分析

鋼箱梁人行天橋的最大豎向撓度為21.6 mm，出現在跨中附近，最大彎矩、最大應力及應變均出現在跨中附近，所受最大彎矩值為60.2 kN·m，最大應力為64 MPa，最大應變為0.299×10-3。鋼箱梁人行天橋的最大豎向撓度與跨徑之比為1/2 286，CJJ 69—95城市人行天橋與人行地道技術規范規定，在靜力作用下，梁板式主梁的最大豎向撓度與跨徑之比要求不應超過跨徑的1/600，其次，在結構自重及人群荷載作用下，最大豎向撓度不超過跨徑的1/1 600時可不設預拱度[5]，根據計算結果可知，計算模型顯然滿足以上要求。

2.2 鋼桁架人行天橋靜力分析

鋼桁架人行天橋的豎向撓度為17.5 mm，出現在跨中附近，鋼桁架人行天橋的最大應力、最大應變及最大彎矩均出現在跨中處，最大應變為0.297×10-3，最大應力為63.6 MPa，最大彎矩值為43.8 kN·m。鋼桁架人行天橋的最大豎向撓度與跨徑之比為1/2 286，CJJ 69—95城市人行天橋與人行地道技術規范規定，在靜力作用下，桁架的最大豎向撓度與跨徑之比要求不應超過跨徑的1/800，其次，在結構自重及人群荷載作用下，最大豎向撓度不超過跨徑的1/1 600時可不設預拱度[5]，根據計算結果可知，計算模型顯然滿足以上要求。表1為鋼箱梁與鋼桁架人行天橋靜力對比分析數據。

表1 鋼箱梁與鋼桁架人行天橋靜力對比分析數據

2.3 鋼箱梁與鋼桁架人行天橋靜力對比分析

由表1可知，鋼箱梁與鋼桁架人行天橋所受最大應力及應變幾乎相同，而且產生的位置均為跨中附近，而兩者所產生的最大豎向撓度之比為1∶0.81，兩者均在跨中產生最大豎向撓度，鋼桁架人行天橋的最大彎矩是鋼箱梁人行天橋的1.37倍。因此，在靜力作用下，鋼桁架人行天橋的承載力更大。

3 動力特性分析

通過對鋼箱梁和鋼桁架人行天橋分別進行動力特性分析，得出鋼箱梁和鋼桁架人行天橋的動力特性，表2和表3分別為鋼箱梁和鋼桁架人行天橋的自振頻率及振型特點，圖5和圖6分別為鋼箱梁和鋼桁架人行天橋的前5階振型圖。

3.1 鋼箱梁人行天橋動力特性分析

根據表2可知，鋼箱梁人行天橋的第一階自振頻率為4.754，CJJ 69—95城市人行天橋與人行地道技術規范規定人行天橋上部結構的豎向自振頻率不小于3 Hz[5]，該橋梁結構顯然滿足規范要求。經動力特性分析可知，隨著振型階數的增大，鋼箱梁人行天橋的自振頻率逐漸增大，增大幅度先快后慢再變快，振型圖隨著頻率的增大，振動特點按照一定的規律發生變化，依次出現對稱豎向彎曲、S型豎向彎曲、對稱橫向彎曲，一階對稱豎彎過后，下一階的振型便是二階對稱豎向彎曲。

表2 鋼箱梁人行天橋的自振頻率及振型特點

表3 鋼桁架人行天橋的自振頻率及振型特點

3.2 鋼桁架人行天橋動力特性分析

根據表3可知，鋼桁架人行天橋的第一階自振頻率為4.654，CJJ 69—95城市人行天橋與人行地道技術規范規定人行天橋上部結構的豎向自振頻率不小于3 Hz[5]，該橋梁結構顯然滿足規范要求。經動力特性分析可知，隨著振型階數的增大，鋼桁架人行天橋的自振頻率逐漸增大，增大幅度較為平緩，振型圖隨著頻率的增大，振動特點按照一定的規律發生變化，先發生扭轉再發生彎曲，振型的階數逐漸上升，彎曲依次為豎向彎曲、橫向彎曲，鋼桁架人行天橋的扭轉是上弦桿相對于橋面板的相對位移所產生的，橋面板與上弦桿之間無明顯的相對位移時，整橋的振型主要以豎向或橫向彎曲為主。圖7為鋼箱梁和鋼桁架人行天橋自振頻率變化的擬合曲線。

3.3 鋼箱梁與鋼桁架人行天橋動力特性對比分析

根據圖7可以十分明顯的看出，鋼箱梁人行天橋的第一階頻率與鋼桁架人行天橋的第一階頻率十分接近，而鋼箱梁人行天橋的自振頻率及頻率增長幅度均比鋼桁架人行天橋大；其次，通過振型圖的振動特點分析可知，鋼桁架人行天橋較鋼箱梁人行天橋更易發生扭轉，這是因為鋼桁架人行天橋的橋面板的厚度小，那么相應的抗扭剛度就不夠，發生扭轉的可能性就隨之升高，而對于鋼箱梁人行天橋而言，鋼箱梁人行天橋的截面抗扭剛度較鋼桁架人行天橋大，鋼箱梁的橫隔板充分發揮了增加截面抗扭剛度的作用。

4 結語

通過對鋼箱梁人行天橋和鋼桁架人行天橋所進行的靜力、動力分析，對比兩者各方面力學性能的優缺點可以得出以下幾點結論：

1)在靜力作用下，鋼桁架人行天橋的最大彎矩是鋼箱梁人行天橋的1.37倍，所產生的最大豎向撓度更小。因此，在靜力作用下，鋼桁架人行天橋的承載力更大。

2)在動力特性分析中，鋼箱梁人行天橋的自振頻率比鋼桁架人行天橋高，但兩者的第一階頻率十分接近，而隨著階數的增長，兩者的差值也隨之增大。

3)在分析兩者的振型圖時，顯然會發現鋼桁架人行天橋的扭轉出現的十分頻繁，且在第一階振型圖中就出現了扭轉，然而鋼箱梁人行天橋在前5階振型圖中都未出現扭轉。

[1] 范旭輝.鋼箱梁及鋼桁架城市人行天橋對比分析[J].林業科技情報,2012,44(4):80-81.

[2] 饒 波.大跨度鋼箱梁人行天橋設計[J].橋梁結構,2009,2(2):30-32.

[3] 劉曉捷，邵忠民，喬 宇.鋼桁架結構在人行天橋中的應用[J].橋梁工程,2012,30(6):37-41.

[4] 王海豐.某鋼桁架人行天橋方案設計[J].北方交通,2013(9):64-66.

[5] CJJ 69—95，城市人行天橋與人行地道技術規范[S].

[6] 王 洋，郝志軍.ANSYS在土木工程應用實例[M].北京：中國水利水電出版社,2010.

[7] 張明生.鋼桁架人行天橋設計[J].工程建設與設計,2012(5):162-164.

[8] 法永生，李 東.某鋼結構人行天橋動力特性測試與有限元分析[J].建筑結構,2007,37(3):63-65.

[9] 崔 鍇.鋼桁架橋靜力分析及地震荷載響應分析[J].山西建筑,2012,38(3):170-172.

Pedestrian bridge steel box girder with steel truss mechanics performance comparison and analysis★

Shen Yangfan Xu Qifeng Yang Bin Wang Shaoquan Guo Kaiqiang Wang Yanqi Jia Yanmin*

(SchoolofCivilEngi.,NortheastForestryUniv.,Harbin150040,China)

In order to analyze and contrast the steel box girder and steel truss pedestrian bridge mechanical properties, the ANSYS finite element calculation model is established, by static analysis, we can draw the steel truss of pedestrian bridge bearing capacity is larger, through the analysis of the dynamic characteristics of the pedestrian steel truss bridge with steel box girder footbridge reverse easier to be produced, and the natural frequency of vibration of the steel box girders for bigger than the natural frequency of vibration of steel truss.

steel box girder, steel truss, pedestrian bridge, mechanical properties

2015-02-08★：國家大學生創新訓練計劃項目(項目編號：201410225041)

申楊凡(1993- )，男，在讀本科生； 續琦峰(1994- )，男，在讀本科生； 楊 斌(1993- )，男，在讀本科生； 王紹全(1993- )，男，在讀本科生； 郭凱強(1992- )，男，在讀本科生； 王艷琪(1992- )，男，在讀本科生

賈艷敏(1962- )，女，博士，博士生導師，教授

1009-6825(2015)12-0172-03

U441

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