某大跨異形人行鋼橋設計與研究

周 晨

（華昕設計集團有限公司,江蘇 無錫 214072）

0 引言

城市河流的功能不僅僅局限于供水、排澇、灌溉、航運等，更是轉向了景觀、休閑、娛樂等多方位的都市需求，其上架設的景觀人行橋是城市交通和人文景觀的重要組成部分，既是一種實用型的市政基礎設施，同時又是一座立體造型的建筑藝術品，體現了城市的文化底色和精神內涵。為打造藝術與美感相結合的城市橋梁，人行橋在設計過程中往往更加注重于材料新穎、結構輕巧、空間曲線、大跨異形結構等元素[1-2]。

該項目為某濱河公園跨越伯瀆河的人行橋梁。伯瀆河濱河公園以“夢回伯瀆，七里畫廊”為設計愿景，希望通過景觀的打造，描繪出七里如畫的美好場景。該橋為整個公園的一個重要人文景觀節點和連接公園南北兩側的重要交通節點，與北岸鳳尾建筑構成鳳凰飛舞之形態，是伯瀆河的中心高潮點。通過對項目的功能定位與景觀總體方案研究，可知曲線、異形、輕盈貫穿了該次設計的全過程。該文以此造型需求的工程項目為對象，對大跨異形景觀人行橋結構進行了設計與研究。

1 工程概況

該方案取意鳳凰飛舞，橋體按S 形布置，與拱形頂棚完美結合，形成具有優美動感的曲線的景觀橋，實現了游客在橋上移步換景的觀景效果。橋梁立面布置見圖1。

圖1 橋型立面布置圖（mm）

橋梁全長164 m，跨徑布置為40 m+70 m+48 m，橋寬5～6.84 m。主橋結構型式為三跨等高變寬鋼箱梁，單箱雙室結構，鋼梁梁高1.7 m。主橋上部設置鋼結構頂棚，下部結構采用V 形墩，與上部頂棚對應設置，主墩斜腿采用鋼結構。橋梁典型斷面布置見圖2。

圖2 典型斷面布置圖（mm）

2 結構靜力分析

2.1 靜力分析

根據橋梁總體設計方案建立空間有限元模型，主梁和頂棚結構分別采用梁單元和板單元進行模擬。模型中考慮了結構自重、填充混凝土重量、二期恒載、人群荷載、基礎沉降、整體升溫降溫、溫度梯度、風荷載等作用。

橋梁施工順序模擬如下：①施工下部橋墩基礎及主墩斜腿墩座；②搭設臨時支墩；③吊裝并焊接鋼主梁；④安裝頂棚鋼結構；⑤拆除施工支架，施工橋面系，安裝欄桿、亮化等設施。

2.2 計算結果

2.2.1 強度驗算

使用階段主梁上緣正應力和下緣正應力包絡見圖3，頂棚頂板、底板主應力包絡見圖4。

圖4 頂棚頂底板主應力包絡圖（MPa）

由以上結果可知，在承載能力極限狀態基本組合下鋼梁截面上下緣最大彎曲正應力為195.2 MPa，頂棚頂底板最大主應力為156.5 MPa，鋼材應力均低于Q355 鋼材的抗彎強度設計值280/1.1=254.5 MPa，滿足規范要求。

2.2.2 變形驗算

依據《公路鋼結構橋梁設計規范》，汽車及人群荷載（不計沖擊力）引起的連續梁豎向撓度值不應超過計算跨徑的1/500，人群荷載作用下結構豎向撓度計算結果見表1。

表1 頻遇組合下結構豎向撓度

3 結構動力分析及舒適度評估

該文采用Midas Civil 對人行橋進行結構動力驗算，特征值向量分析采用Lanczos 法，將結構自重、二期恒載轉換為質量，不考慮橋面混凝土鋪裝對結構剛度的影響。整體模型前四階的計算結果見表2。

表2 整體模型動力計算結果

參照《城市人行天橋與人行地道技術規范》[3]以及《建筑樓蓋結構振動舒適度技術標準》[4]對人行天橋結構舒適度的要求，正常使用時人行橋上部結構第一階豎向自振頻率不應小于3 Hz，第一階橫向自振頻率不宜小于1.2 Hz；當豎向或橫向自振頻率不滿足上述要求時，應當采取必要的防振或減振措施，確保上部結構豎向和橫向振動峰值加速度不超出規范限值。可以看出該橋的豎向未能滿足規范要求，橫向振動頻率可滿足要求。隨著我國橋梁建設水平的發展和高強度材料、新型結構體系的應用，大跨度人行橋結構亦趨于輕盈靈動，其自振頻率已很難達到規范的舒適度指標要求。該次參照德國人行橋設計指南（EN03）[5]，進行人行舒適度評估，若人行振動荷載所引起的橋梁振動峰值加速度能滿足規范限值，不超出戶外人行舒適性界限，可認為人行橋結構的動力特性滿足要求。規范[6]給出了人行天橋的人行振動荷載模型，其單位面積的荷載激勵如式（1）～（3）所示。

式中，Fb——一階荷載的幅值，對于豎向振型取值280 N；ψ——荷載折減系數；γ'——等效人群密度；d——人群密度；N——人行總人數，可取N=dA；A——橋面荷載面積；ζ——阻尼比影響系數。基于Midas Civil 動力驗算模型，激勵荷載考慮等效同步人群的豎向一階人行荷載，計算人行荷載作用下的上部結構加速度響應，從而分析其動力性能。該次選擇多個交通級別對應的人群密度（d=0.5、1.5 人/m2）進行分析，人行舒適性的分析評價結果見表3。

表3 人行荷載振動舒適性分析

由分析結果可知，對應設計指南[5]規定的最大交通級別（TC5）下的舒適度等級為中等，同時依據《建筑樓蓋結構振動舒適度技術標準》，參考室外“不封閉連廊”的振動峰值加速度限值取值，豎向峰值加速度不應大于0.5 m/s2，不能滿足要求，應采取適當的振動控制措施。

4 人行舒適度控制

針對人行橋振動的特點，避免橋梁共振導致的破壞，常見的人行橋振動控制措施主要有：①控制橋上人群密度，隨著交通量的增加，荷載不斷加大，人致振動的峰值加速度也會相應增大；②調整結構頻率，使得橋梁自振頻率回避結構共振敏感的頻率范圍；③被動阻尼減振，阻尼有助于減小結構的共振振幅，可通過提高人行橋結構的阻尼從而減少結構共振響應。

通常情況下減小橋梁結構的自重或增大結構剛度，一定程度上可以提高上部結構的自振頻率。該橋采用鋼結構，通過增加主梁梁高，提高結構剛度會對橋梁景觀造型影響較大，建議增設TMD 阻尼器來對結構進行減振控制。通過調整TMD 系統與主體結構的質量比、系統的阻尼比和剛度等參數，使其頻率與橋梁上部結構的固有頻率相等或接近。當主結構受外荷載激勵產生振動時，TMD 系統產生的慣性力反作用到結構上，使的主結構的振動反應衰減進而控制振動響應。

選擇TMD 參數時，首先根據工程經驗，確定TMD與主體結構質量比，得出控制主體結構位移和加速度的TMD 頻率比和阻尼比最優值，從而進一步確定TMD 阻尼器的剛度和阻尼系數[7]。一般情況下，質量越大，減振效果越顯著。但TMD 的質量不能無限制的增大，質量越大時其體積也會增大，安裝較困難，且會增加橋梁上部結構的不利荷載。因此，常用的阻尼裝置質量一般取為主體結構振型的模態質量1%～5%。

該次質量比選取為5%，則TMD 質量為3 500 kg，得到TMD剛度和阻尼系數分別為727 565 N/m和12 840 Ns/m。在進行TMD 減振設計后，人群密度為1.5 人/m2時，全橋一階豎向振型最大豎向加速度為0.4 m/s2。減振后該橋的舒適度等級由中等變為最佳，豎向峰值加速度可滿足規范限值要求，布置TMD 對控制人行橋振動具有積極效果。

5 結語

該文以大跨異形鋼結構人行橋的設計為背景，分析了該類型橋梁的結構設計要點，并對其進行靜力分析及動力特性計算。該類型橋型結構輕巧，自振頻率往往不能滿足規范要求，需進行結構振動舒適性評價以及相應振動控制措施。

針對大跨異形鋼結構人行橋，其結構的強度、剛度及舒適度都應滿足規范要求。當前國內人行橋規范（CJJ 69—95）僅對結構豎向基頻提出了要求，未涉及振動舒適度的問題，在進行人致振動舒適度分析時，人行振動荷載及舒適度評價可參考國內外相關規范的荷載模型及標準。此外，通過安裝TMD 可有效減小橋梁結構在上部人群荷載作用下的動力響應，其結構外形尺寸小，對橋梁景觀幾乎沒有影響，可使該橋減振后的舒適度等級達到最佳級別。