騎行橋行人振動(dòng)舒適度研究

楊成峰，林俊成，鄭永衛(wèi)

(1.浙江省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院，浙江杭州 310006；2.溫州大小門島投資開發(fā)有限公司，福建溫州 325606)

騎行橋行人振動(dòng)舒適度研究

楊成峰1，林俊成2，鄭永衛(wèi)1

(1.浙江省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院，浙江杭州 310006；2.溫州大小門島投資開發(fā)有限公司，福建溫州 325606)

以某設(shè)計(jì)新穎的騎行橋?yàn)楸尘埃治鲅芯苛嗽摌蛟谛腥诵凶摺⑴軇?dòng)作用下的振動(dòng)舒適度問(wèn)題。利用德國(guó)人行橋設(shè)計(jì)指南EN03規(guī)范推薦的計(jì)算方法對(duì)該橋最大加速度振動(dòng)幅度進(jìn)行了計(jì)算，并與對(duì)應(yīng)的舒適度標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了對(duì)比。研究成果能夠?yàn)橥悩蛄涸O(shè)計(jì)提供技術(shù)參考。

騎行橋；雙塔單跨懸索橋；人橋共振；振動(dòng)舒適度

1 概述

淳安環(huán)湖公路騎行橋位于千島湖界牌島附近，屬于環(huán)湖公路游步道的重要組成部分。騎行橋采用雙塔單跨懸索橋結(jié)構(gòu)，主跨為168 m，矢高16 m，主索矢跨比1∶10.5。主纜邊跨輪渡側(cè)為33 m，界牌島側(cè)為27m。該橋梁的一階自振頻率初步估算為0.33 Hz。為確保建成后的騎行橋不出現(xiàn)由于行人步行造成的人橋共振以及振動(dòng)舒適度問(wèn)題，結(jié)合國(guó)內(nèi)外相關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)范和文獻(xiàn)［1-3］,針對(duì)騎行橋的人橋共振及振動(dòng)舒適度性能開展研究。

2 結(jié)構(gòu)分析模型的建立

2.1 主要構(gòu)件的特性參數(shù)

采用Ansys軟件進(jìn)行該騎行橋成橋狀態(tài)下的結(jié)構(gòu)建模與動(dòng)力特性有限元分析。主跨為168 m的騎行橋的整體結(jié)構(gòu)由主梁、橫肋、主纜、吊桿以及橋塔、索鞍、索夾等主要構(gòu)件構(gòu)成。主要構(gòu)件特性參數(shù)按如下考慮。

(1)橋面系截面特性

主梁采用預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)，為邊主梁型斷面。主梁寬6.2 m，兩吊點(diǎn)處橫向?qū)挾葹?.8 m，主梁投影高度為0.64 m，橋面板厚度為0.18 m。吊點(diǎn)位置設(shè)置橫肋，厚度為0.32 m。

(2)懸吊系統(tǒng)材料特性

該騎行橋主橋設(shè)置兩根空間主纜，立面矢跨比為1∶10.5，中心距塔頂為0.27 m，跨中為5.797 m，每根主纜側(cè)立面位于傾斜角度為9.8°的平面內(nèi)。每根主纜邊跨及主跨均由14股索股組成。

吊桿共84 根，吊點(diǎn)間距為4 m。吊桿為截面Φ40 mm 的鋼棒，材質(zhì)Q345C。吊桿分為上下兩根。

(3)橋塔截面特性

該騎行橋共設(shè)兩座A 型塔，主塔塔柱采用1.1 m×1.5 m 鋼筋混凝土實(shí)心截面，塔柱截面沿橋塔高度方向保持不變，上橫梁采用1.4 m×2.2 m 實(shí)心截面，下橫梁采用1.1 m×1.4 m實(shí)心截面，橫梁截面沿橫橋向也均保持不變。

(4)全橋質(zhì)量的考慮

主梁和橋面系的質(zhì)量采用總質(zhì)量平均分配到主梁的每個(gè)節(jié)點(diǎn)上的形式模擬，以此來(lái)考慮其平動(dòng)質(zhì)量和質(zhì)量慣矩。橫肋以集中質(zhì)量的形式施加到主梁節(jié)點(diǎn)上，吊索索夾質(zhì)量以集中質(zhì)量形式施加到主纜節(jié)點(diǎn)上，索鞍質(zhì)量以集中質(zhì)量形式施加到主纜節(jié)點(diǎn)上。橋塔、主纜、吊索通過(guò)對(duì)其賦予材料密度的形式考慮質(zhì)量分布。

(5)全橋邊界與約束條件

橋塔基礎(chǔ)模擬為固結(jié)，橋塔與主梁輪渡側(cè)約束其豎向、橫向和順橋向扭轉(zhuǎn)位移，界牌島側(cè)約束其豎向、橫向、順橋向和順橋向扭轉(zhuǎn)位移；橋塔與主纜連接處約束豎向、橫向和順橋向位移。

采用上述材料特性取值，最終建立的騎行橋的動(dòng)力特性分析模型見圖1。

圖1 某騎行橋成橋狀態(tài)動(dòng)力特性分析有限元模型

2.2 騎行橋動(dòng)力特性分析

利用上節(jié)所建立的有限元模型進(jìn)行騎行橋的動(dòng)力特性分析，根據(jù)行人激勵(lì)下振動(dòng)舒適度分析目標(biāo)的需要，取騎行橋前50階模態(tài)進(jìn)行后續(xù)的分析計(jì)算。現(xiàn)將整體結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性計(jì)算結(jié)果的前10階匯總于表1，并給出第1、2、7階模態(tài)振型圖(見圖2、3、4)。

表1 該騎行橋成橋狀態(tài)結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性分析結(jié)果

圖2 第一階振型圖(加勁梁反對(duì)稱豎彎,頻率=0.3299Hz)

圖3 第二階振型圖(加勁梁正對(duì)稱側(cè)彎,頻率=0.4032Hz)

圖4 第七階振型圖(加勁梁反對(duì)稱扭轉(zhuǎn),頻率=1.1889Hz)

3 基于EN03規(guī)范的騎行橋振動(dòng)舒適度評(píng)估

德國(guó)人行橋設(shè)計(jì)指南EN03給出了人行橋考慮人橋共振問(wèn)題的設(shè)計(jì)方法與步驟［4］，本節(jié)首先采用EN03所推薦的分析方法和步驟，對(duì)該騎行橋進(jìn)行步行作用共振時(shí)加速度響應(yīng)計(jì)算及振動(dòng)舒適度評(píng)價(jià)。

3.1 計(jì)算步驟

3.1.1 確定臨界固有頻率范圍與結(jié)構(gòu)阻尼

人行橋在行人荷載激勵(lì)下的固有頻率fi的臨界范圍是：(1)對(duì)于豎向振動(dòng)：1.25 Hz≤fi≤4.6 Hz；(2)對(duì)于側(cè)向振動(dòng)：0.5 Hz≤fi≤1.2 Hz。

3.1.2 確定行人交通級(jí)別與舒適級(jí)別

規(guī)范建議行人舒適度的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)采用規(guī)范推薦的4個(gè)舒適度級(jí)別，CL1～CL4如表2所示。

表2 人行橋舒適度級(jí)別

3.1.3 確定最大加速度并核對(duì)舒適度水平

(1)行人荷載模型

采用式(1)的單個(gè)行人的諧波荷載，P是步頻為fs時(shí)單個(gè)行人產(chǎn)生的荷載幅值，fs為步頻，n′是加載面積為S時(shí)的等效行人密度，Ψ為考慮到步頻接近基頻變化范圍臨界值的概率而引入的折減系數(shù)。TC1～TC5中的每一類交通荷載等級(jí)都采用均勻分布的諧波荷載p(t)代表進(jìn)行下一步計(jì)算中的等效行人流：

(2)計(jì)算最大加速度

按照EN03規(guī)范推薦的方法中的單自由度方法進(jìn)行騎行橋最大加速度的計(jì)算。諧波荷載P(t)按共振時(shí)步行力荷載總是取增大振幅的方向加載到每一階振型上，則等效同步人群的廣義豎向步行荷載按下式計(jì)算：

按單自由度共振理論計(jì)算時(shí)，P*是廣義步行荷載的幅值，m*是模態(tài)質(zhì)量，ζ是結(jié)構(gòu)阻尼比,得到最大加速度amax為，

(3)核對(duì)舒適度水平

對(duì)TC1～TC5交通荷載等級(jí)下計(jì)算得到的加速度，并與表2給出的舒適度限制作對(duì)比，判斷是否滿足振動(dòng)舒適度要求。

3.2 計(jì)算結(jié)果

對(duì)于簡(jiǎn)支混凝土板梁懸索橋結(jié)構(gòu)，EN03建議了計(jì)算時(shí)結(jié)構(gòu)阻尼比的取值范圍，由于阻尼比越小結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)特別是共振狀態(tài)下的響應(yīng)會(huì)越大，因此本研究取EN03所建議的結(jié)構(gòu)阻尼比下限值0.5%進(jìn)行計(jì)算分析。

3.2.1 0.5%阻尼比時(shí)的結(jié)果

騎行橋阻尼比取0.5%時(shí)，計(jì)算了臨界固有頻率范圍內(nèi)各階模態(tài)(第9～第50階)在五種交通級(jí)別下TC1～TC5的最大加速度反應(yīng)以及對(duì)應(yīng)的舒適度評(píng)價(jià)。表3為豎向荷載作用的分析結(jié)果(僅示第9～第15階)，表4為水平側(cè)向荷載作用的分析結(jié)果。

計(jì)算結(jié)果顯示，當(dāng)結(jié)構(gòu)阻尼比取值為0.5%時(shí)，騎行橋在五種交通級(jí)別下在豎向和水平側(cè)向的最大加速度響應(yīng)均未超過(guò)EN03規(guī)范的振動(dòng)舒適度限值要求。

5 分析結(jié)論

在以上大量計(jì)算分析的基礎(chǔ)上，針對(duì)行人步行荷載作用下該騎行橋的振動(dòng)舒適度問(wèn)題進(jìn)行了研究，主要分析結(jié)論如下：

(1)建立了該騎行橋的有限元分析模型并進(jìn)行了模態(tài)分析，結(jié)果表明騎行橋的基頻為0.33 Hz，可取騎行橋的前60階振動(dòng)模態(tài)(振動(dòng)頻率范圍圍為0.33～5.9 Hz)進(jìn)行人橋共振以及振動(dòng)舒適度問(wèn)題的分析。

(2)采用EN03規(guī)范所建議的簡(jiǎn)化計(jì)算步驟對(duì)騎行橋的人橋共振以及振動(dòng)舒適度性能進(jìn)行了分析評(píng)估，結(jié)果表明當(dāng)結(jié)構(gòu)阻尼比取值為0.5%時(shí)，在計(jì)算的所有臨界固有頻率模態(tài)范圍內(nèi)(第9～第50階)，騎行橋在五種交通級(jí)別TC1～TC5下在豎向和側(cè)向的最大加速度響應(yīng)均未超過(guò)EN03所建議的對(duì)應(yīng)的舒適度級(jí)別。

［1］ 王玲, 陳博, 等. 跳躍荷載動(dòng)力特性與荷載模型實(shí)驗(yàn)研究［J］. 振動(dòng)工程學(xué)報(bào), 2014,27(1)∶16-23.

［2］ 李東, 法永生, 孫翠華等.某人行橋人致振動(dòng)分析及其舒適度評(píng)價(jià)［J］. 建筑結(jié)構(gòu)2008,38(6)∶50-53.

［3］ 陳階亮,裘新谷.人行橋振動(dòng)舒適性評(píng)價(jià)方法及標(biāo)準(zhǔn)研究現(xiàn)狀.橋梁建設(shè), 2010(1)∶75-78.

［4］ 陳琳琳.交通荷載及人行荷載作用下人行天橋振動(dòng)舒適度研究［D］.武漢理工大學(xué), 2012.

U441+.3

B

1009-7716(2015)08-0043-03

2015-04-01

楊成峰(1982-)，男，浙江奉化人，工程師，從事橋梁設(shè)計(jì)工作。

表3 TC1～TC5下各階模態(tài)豎向最大加速度及舒適度水平

表4 TC1～TC5下各階模態(tài)側(cè)向最大加速度及舒適度水平