譚興豐，吳立峰， 陳立一

(溫州設計集團有限公司,浙江溫州 325000)

大型環(huán)形人行天橋設計影響因素分析

譚興豐，吳立峰， 陳立一

(溫州設計集團有限公司,浙江溫州 325000)

基于某大型鋼結(jié)構(gòu)人行天橋的設計,采用有限元計算軟件分析,通過對跨徑、梁高、邊界條件及結(jié)構(gòu)形式等影響因素進行分析,定性分析相關(guān)因素對天橋結(jié)構(gòu)的自振頻率影響,并得出一些結(jié)論和意見,對大型環(huán)形天橋及其類似工程的設計計算具有一定的借鑒意義。

人行天橋；有限元分析；自振頻率；影響因素

0 引言

隨著城市化進程的推進,城市交通的發(fā)展,單純依靠平面交通已不能滿足整體需求,交通安全也存在較大隱患,為保證行人的安全、車輛行駛的順暢,更多的傾向于采用立體交通解決行人過街,而在立體交通的選擇措施上,人行天橋的設計也越來越被重視。本文主要從大型環(huán)形人行天橋的設計角度出發(fā),闡述相關(guān)影響因素的選擇,天橋的平面布置形式主要有工字形、圓形、橢圓形、X形、丁字形和U形等,結(jié)構(gòu)的材料主要有混凝土、鋼結(jié)構(gòu)、鋁合金等。

該文介紹的天橋地處道路十字交叉口,平面布置采用橢圓形,主橋材料采用鋼結(jié)構(gòu)箱梁,天橋最大跨徑33.85 m,重點進行天橋設計過程中影響因素的分析。

1 工程概況

天橋位于溫州市某商圈,上跨城市主干道與城市次干道十字交叉口,主干道呈東西走向,次干道呈南北走向,主干道橫斷面布置為6.5 m(人行道)+ 3.5 m(非機動車道)+ 20.0 m(車行道) + 3.5 m (非機動車道)+ 6.5 m(人行道)=40.0 m；次干道橫斷面布置為5.0 m(人行道)+ 3.0m(非機動車道)+ 12.0 m(車行道) + 3.0 m(非機動車道)+ 5.0 m(人行道)=28.0 m,全橋共設置八個橋墩,橋墩墩柱宜布置在人行道范圍內(nèi),天橋采用單跨跨越主干道和次干道,2#和5#橋墩之間最大跨徑為33.85 m。天橋橋位平面圖見圖1。

圖1 天橋橋位圖

2 結(jié)構(gòu)計算及模型

全橋采用鋼結(jié)構(gòu)施工,主要優(yōu)點是施工較為方便快捷,對道路交叉口交通影響較小,主體結(jié)構(gòu)采用工廠分段加工制作,工藝成熟,工地現(xiàn)場施工工作量較小,施工質(zhì)量更有保證；鋼結(jié)構(gòu)自重相對混凝土結(jié)構(gòu)自重較輕,可節(jié)省下部結(jié)構(gòu)工程造價。本橋橫斷面采用單箱單室鋼箱梁,布置形式為0.5 m (種植槽)+0.25 m(欄桿)+4.0 m(人行道)+0.25 m(欄桿)+ 0.5 m(種植槽)=5.5 m。

依據(jù)文獻［1］第2.5.4條規(guī)定：為避免共振,減小行人不安全感,天橋上部結(jié)構(gòu)豎向自振頻率不應小于3Hz。根據(jù)以往工程設計經(jīng)驗,通常由結(jié)構(gòu)自振頻率控制天橋設計,首先對結(jié)構(gòu)自振頻率進行分析計算,根據(jù)自振頻率計算結(jié)果,選擇適當?shù)慕Y(jié)構(gòu)高度,再進行結(jié)構(gòu)變形、強度等相關(guān)計算。文獻［1］第2.5.2條規(guī)定：天橋上部結(jié)構(gòu),由人群荷載計算的最大豎向撓度不應超過梁板式主梁跨中L/600的限值。天橋計算結(jié)果主要以自振頻率和人群荷載最大豎向撓度兩項指標來控制,輔助以最不利工況下構(gòu)件最大豎向撓度控制指標,根據(jù)以往工程計算,構(gòu)件強度等指標在滿足前面指標的情況下基本能滿足規(guī)范要求。

2.1 計算模型

采用有限元分析軟件MIDAS2012對天橋結(jié)構(gòu)進行分析,主橋結(jié)構(gòu)采用梁單元模擬,天橋計算以最大跨徑33.85m為控制橋跨,通過選取不同的主梁結(jié)構(gòu)高度、主梁環(huán)形閉合與否、邊界條件等相關(guān)因素進行分析,整體模型見圖2。

圖2 天橋結(jié)構(gòu)有限元模型圖

2.1.1 主梁結(jié)構(gòu)高度

根據(jù)現(xiàn)狀分析,結(jié)合落墩位置,天橋平面采用橢圓形布置,設置八個橋墩,梁高選取1.1～1.5 m共計五個梁高斷面形式,分別分析天橋自振頻率、人群荷載最大豎向撓度、最不利工況下構(gòu)件最大豎向撓度三項主要控制指標,具體結(jié)果見圖3-圖5。

圖3 結(jié)構(gòu)自振頻率圖(單位:Hz)

圖4 人群荷載最大豎向撓度圖(單位:mm)

圖5 不同梁高對應的計算結(jié)果

計算結(jié)果表明,自振頻率隨著主梁梁高的增大相應增大,即隨著梁體結(jié)構(gòu)慣性矩的增加而增大,與理論結(jié)論吻合。規(guī)范要求自振頻率大于3 Hz即可,結(jié)合人群荷載最大豎向撓度和最不利工況構(gòu)件的最大豎向撓度,擇優(yōu)選取1.3 m梁高為計算梁高。

2.1.2 主梁環(huán)形閉合與否

天橋平面布置為橢圓環(huán)形結(jié)構(gòu),在結(jié)構(gòu)選型上可考慮整體閉合連續(xù)梁或者對稱在3#和6#橋墩頂設置開口形成兩幅連續(xù)梁。針對兩項不同的結(jié)構(gòu)分析計算結(jié)果,結(jié)果數(shù)據(jù)見表1。

表1 環(huán)形閉合與否對應的計算結(jié)果

計算結(jié)果表明,局部開口形成兩幅連續(xù)梁的情況下結(jié)構(gòu)豎向撓度較整體閉合連續(xù)梁較大,而自振頻率較整體閉合連續(xù)梁小,因為閉合結(jié)構(gòu)上部梁體整體性較好,在彎矩、剪力等內(nèi)力反應上能起到一定的削峰效果,結(jié)構(gòu)受力較好,與理論分析吻合。局部開口結(jié)構(gòu)雖然在開口位置能釋放局部的應力,但整體性沒有閉合結(jié)構(gòu)好,擇優(yōu)選取閉合連續(xù)梁結(jié)構(gòu)。

2.1.3 邊界條件

主梁邊界條件通過選用不同的約束條件模擬支座的選型,經(jīng)過對比分析最終確定4#和5#橋墩支座采用固定和單向活動支座,其余墩頂支座采用單向活動支座和雙向活動支座。如選用墩梁固結(jié),雖然通過增加下部結(jié)構(gòu)的合成剛度,可以提高整體結(jié)構(gòu)的自振頻率,但在梁體受力過程中,特別是溫度應力的影響,梁體需要釋放法向應力,導致對下部結(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)方能抵抗強大的法向應力,而結(jié)合溫州實際的軟土地基現(xiàn)狀,通過墩梁固結(jié)增加下部結(jié)構(gòu)的合成剛度從而提高整體結(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。

3 相關(guān)因素綜合分析比較

(1)結(jié)構(gòu)跨徑對自振頻率影響明顯,跨徑與自振頻率成反比,跨徑減小自振頻率相應增加,因為天橋總體布置基本是在已有的建筑物限制范圍內(nèi)實施,跨徑因素基本已明確,僅能在其他因素調(diào)整余地較小的情況下,綜合考慮跨徑因素。

(2)結(jié)構(gòu)質(zhì)量對自振頻率也有一定的影響,質(zhì)量越大,自振頻率越小,因此結(jié)構(gòu)自重需綜合考慮縱向、橫向等加勁肋板的重量,否則計算結(jié)果偏于不利。

(3)通過計算結(jié)果表明,結(jié)構(gòu)梁高與自振頻率成正比,提高結(jié)構(gòu)梁高,增加梁體剛度,增大梁體結(jié)構(gòu)慣性矩,對結(jié)構(gòu)自振頻率影響最大,在滿足自振頻率的前提下,擇優(yōu)選取梁體結(jié)構(gòu)高度。

(4)結(jié)構(gòu)體系采用環(huán)形閉合連續(xù)梁還是局部開口兩幅連續(xù)梁對自振頻率和結(jié)構(gòu)受力影響較小,僅從全橋整體性考慮分析,優(yōu)選環(huán)形閉合連續(xù)梁。

(5)邊界條件對自振頻率影響較大,但由于溫州的軟土地基的現(xiàn)狀,通過增加下部結(jié)構(gòu)的合成剛度來提高結(jié)構(gòu)的自振頻率,將對下部結(jié)構(gòu)提出很高的要求,效果較差。

(6)其他輔助措施,比如消能減振設備TMD或MTMD的應用也可改善結(jié)構(gòu)的使用性能。

綜上所述,在已有的建筑布局內(nèi)布置天橋結(jié)構(gòu)時,應盡可能采用連續(xù)梁結(jié)構(gòu),并盡量減少跨徑,減輕梁體自重,在全面考慮梁體自重和外部荷載的情況下,使自振頻率滿足規(guī)范要求；必要時可通過增加結(jié)構(gòu)高度、改變邊界條件等方式適當增加自振頻率,也可輔助采用消能減振的措施和設備。

4 結(jié)語

以大型環(huán)形天橋為工程背景,利用有限元分析軟件,分析不同跨徑、不同梁高、不同邊界條件、不同結(jié)構(gòu)形式等相關(guān)因素對自振頻率的影響,并將有限元計算結(jié)果同理論分析相結(jié)合,定性分析相關(guān)因素對自振頻率的影響,對大型環(huán)形天橋及其類似工程的設計計算具有一定的借鑒意義。

［1］ CJJ69-95,城市人行天橋與人行地道技術(shù)規(guī)范［S］.

U448.11

B

1009-7716(2015)09-0098-03

2015-04-02

譚興豐(1982-)，男,浙江湖州人,工程師,碩士研究生,主要從事市政橋梁設計與加固設計工作。