大跨徑環(huán)形人行天橋豎向自振頻率與撓度分析

羅民聲

（重慶交通大學(xué) 建筑與土木工程 重慶 400041）

大跨徑環(huán)形人行天橋豎向自振頻率與撓度分析

羅民聲

（重慶交通大學(xué) 建筑與土木工程 重慶 400041）

基于某大型鋼結(jié)構(gòu)波形鋼腹板主梁人行天橋的設(shè)計(jì)，采用Midas Civil/2015有限元計(jì)算軟件研究分析大跨徑環(huán)形人行天橋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的豎向自振頻率與撓度，驗(yàn)證其是否滿足規(guī)范要求，避免結(jié)構(gòu)豎向自振頻率和行人正常行走頻率相近從而引發(fā)共振，危機(jī)行人和結(jié)構(gòu)安全。

大跨徑；環(huán)形人行天橋；波形鋼腹板；豎向自振頻率；撓度

1 工程概況

本文介紹的人行天橋位于國(guó)道 321線與深圳港口路交叉路口處，平面布置采用橢圓形，全橋?yàn)椴ㄐ武摳拱褰M合橋面結(jié)構(gòu)。橋梁全長(zhǎng)330米，橋?qū)?.4米，凈寬6米，寬度組成：0.2m（踢腳）+6m（人行道）+0.2m（踢腳），橋下國(guó)道321線與橋面凈空≥5.5米。本橋?yàn)榘丝邕B續(xù)梁橋，沿逆時(shí)針?lè)较虿贾脼椋?5m+39m+39m+45m+51m+36m+36m+39m，全橋共設(shè)置8個(gè)橋墩。

2 結(jié)構(gòu)計(jì)算及模型

為避免共振，減小行人不安全感，天橋上部結(jié)構(gòu)豎向自振頻率不應(yīng)小于3Hz[1]。根據(jù)以往工程設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，通常以結(jié)構(gòu)豎向自振頻率控制天橋設(shè)計(jì)。計(jì)算豎向撓度時(shí)，計(jì)算撓度值不應(yīng)超過(guò)L/500，其中L為計(jì)算跨徑[2]。人行天橋計(jì)算結(jié)果主要以豎向自振頻率、人群荷載豎向最大撓度、最不利組合荷載下構(gòu)件最大豎向擾度三項(xiàng)指標(biāo)控制。

2.1 計(jì)算模型

采用有限元分析軟件Midas Civil/2015模擬，共計(jì)268個(gè)單元（全橋均采用梁?jiǎn)卧?52個(gè)節(jié)點(diǎn)。人行天橋以最大跨徑51米為控制橋跨，通過(guò)選取不同主梁結(jié)構(gòu)高度以及邊界條件等因素進(jìn)行對(duì)比分析，整體模型詳見(jiàn)圖1。

圖1 有限元計(jì)算模型示意圖

模型采用的單元類型、材料、截面形式見(jiàn)表1。

表1

2.1.1 計(jì)算荷載

⑴恒載：一期恒載：結(jié)構(gòu)自重；二期恒載：包括橋面鋪裝、人行道欄桿等，經(jīng)計(jì)算為12.9kN/m均布荷載。

⑵人群荷載：人群荷載集度：3.129kN/m2。

⑶溫度荷載：采用梁截面溫度梯度[3]，系統(tǒng)升溫30℃，系統(tǒng)降溫-15℃。

2.2 模型對(duì)比分析

選取不同主梁截面高度下測(cè)得相應(yīng)豎向自振頻率與撓度數(shù)據(jù)分析以及不同邊界條件下結(jié)構(gòu)的剛度分析。

2.2.1 主梁高度

波形鋼腹板主梁截面梁高選取1.75m～2.75m共計(jì)5個(gè)工況（分別為1.75m、2m、2.25m、2.5m、2.75m），分別分析人行天橋豎向自振頻率、人群荷載最大豎向撓度和最不利組合荷載[4]下構(gòu)件最大豎向撓度三項(xiàng)主要控制指標(biāo)，具體結(jié)果見(jiàn)圖2～圖4。

圖2 結(jié)構(gòu)豎向自振頻率圖（單位：Hz）

圖3 人群荷載最大豎向撓度圖（單位：mm）

圖4 最不利組合荷載最大豎向撓度圖（單位：mm）

由上述計(jì)算結(jié)果可以得出，豎向自振頻率與波形鋼腹板主梁梁高成正比，即隨著梁體結(jié)構(gòu)慣性矩的增加而增大，結(jié)果與理論結(jié)論一致。截面高度在2.0m～2.75m的豎向自振頻率大于3Hz滿足規(guī)范要求。人群荷載和最不利組合荷載作用下豎向最大撓度與波形鋼腹板主梁梁高成反比，即隨著梁體剛度增加，理論撓度隨之減小，結(jié)果與理論結(jié)論一致。結(jié)合豎向自振頻率、人群荷載豎向最大撓度和最不利組合荷載豎向最大撓度三者數(shù)據(jù)綜合分析比較，雖然截面高度越大，結(jié)構(gòu)豎向自振頻率越大，荷載作用下?lián)隙仍叫。笃谧兓Ч幻黠@，擇優(yōu)選取 2.25m作為波形鋼腹板主梁截面設(shè)計(jì)計(jì)算高度。

2.2.2 邊界條件

主梁邊界條件通過(guò)選用不同的約束條件模擬支座的選型，經(jīng)過(guò)對(duì)比分析最終確定4#和5#橋墩支座采用固定和單向活動(dòng)支座，其余墩頂支座采用單向滑動(dòng)支座和雙向滑動(dòng)支座。如選用墩梁固結(jié)，雖然通過(guò)增加下部結(jié)構(gòu)的合成剛度，可以提高整體結(jié)構(gòu)的豎向自振頻率，但在梁體受力的過(guò)程中，特別是溫度應(yīng)力的影響，梁體需要釋放法向應(yīng)力，導(dǎo)致對(duì)下部結(jié)構(gòu)剛度要求很高，因此下部結(jié)構(gòu)需要做成粗大結(jié)構(gòu)方能抵抗強(qiáng)大的法向應(yīng)力作用[5]，而結(jié)合深圳實(shí)際的軟土地基的現(xiàn)狀，通過(guò)墩梁固結(jié)增加下部結(jié)構(gòu)的合成剛度來(lái)提高整體結(jié)構(gòu)的自振頻率效果較差，擇優(yōu)考慮主梁邊界條件為部分釋放法向約束。

下部結(jié)構(gòu)八個(gè)圓柱墩與地面邊界條件全部定義為固接，作為整個(gè)結(jié)構(gòu)的主要支撐，則需要全部固定以保證結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性，即使超靜定次數(shù)更多，也要使結(jié)構(gòu)處于一個(gè)更安定的條件下進(jìn)行設(shè)計(jì)。

3 結(jié)語(yǔ)

波形鋼腹板主梁因其自重輕，可以有效降低人行天橋自重，提高結(jié)構(gòu)豎向自振頻率同時(shí)也能降低結(jié)構(gòu)自重引起的撓度，使得人行天橋在大跨徑下亦能保持豎向自振頻率和撓度滿足規(guī)范要求，波形鋼腹板的運(yùn)用不僅解決了結(jié)構(gòu)力學(xué)問(wèn)題，其結(jié)構(gòu)造型也為城市人行天橋增添色彩。城市建筑橋梁美觀已然成為城市橋梁設(shè)計(jì)的一項(xiàng)重要指標(biāo)，設(shè)計(jì)出合理美觀的橋梁毅然是今后學(xué)者研究的重點(diǎn)方向之一。

[1]CJJ69-95，城市人行天橋與人行地道技術(shù)規(guī)范[S].北京：北京市市政工程研究院

[2]JTG D64-2015，公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京：中交公路規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限公司

[3]JTG D60-2015，公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范[S].北京：中交公路規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限公司

[4]CJJ11-2011，城市橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社

[5]張東，李琳，王玲玲.圓環(huán)形人行天橋關(guān)鍵技術(shù)分析[J].公路，2016（04）

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1007-6344（2017）02-0034-01