鋼結(jié)構(gòu)人行橋梁振動(dòng)分析

于松馬

摘? ? 要：隨著城市的發(fā)展，住宅及商圈的密集，人行專用過河及過街橋梁需求不斷增加，尤其鋼結(jié)構(gòu)人行橋有建設(shè)周期短、對(duì)既有交通影響小的優(yōu)點(diǎn)，被廣泛采用。結(jié)合兩座鋼結(jié)構(gòu)人行橋的設(shè)計(jì)實(shí)例，探討了鋼結(jié)構(gòu)人行橋設(shè)計(jì)在實(shí)踐中涉及到的結(jié)構(gòu)安全、振動(dòng)頻率和人行舒適度等問題，以供對(duì)此類人行橋設(shè)計(jì)人員參考借鑒。

關(guān)鍵詞：鋼結(jié)構(gòu)橋梁;人行橋梁;自振頻率;橋梁設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)：U448.131.3? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：2095-7394（2018）06-0020-06

隨著城市的發(fā)展，住宅及商圈的密集，人行專用過河及過街橋梁需求不斷增加，尤其過街天橋往往建在現(xiàn)有道路之上，通常鋼結(jié)構(gòu)人行橋?yàn)槭走x。鋼結(jié)構(gòu)橋梁有建設(shè)周期短、對(duì)既有交通影響小、結(jié)構(gòu)厚度薄等優(yōu)點(diǎn)，不僅能滿足交通功能的要求，還能滿足人們審美視覺的要求。但是鋼結(jié)構(gòu)橋梁存在自重輕、跨度大、體系柔、自振頻率低等缺點(diǎn)，當(dāng)人行橋一階豎向自振頻率與行人激勵(lì)頻率接近時(shí)，會(huì)引起共振，使得行人產(chǎn)生不舒適感和不安全感。下面結(jié)合筆者參與的一些設(shè)計(jì)實(shí)例，探討鋼結(jié)構(gòu)人行橋在設(shè)計(jì)中應(yīng)考慮和注意的問題。

1? ? 橋梁自振頻率的規(guī)定

行人的正常行走步頻介于1.6（慢走）～2.4Hz（快走），其二階步頻在2.8～4.8Hz。因此，在豎向自振頻率2Hz左右的橋上，由于自振頻率與行人步頻接近，容易產(chǎn)生共振。[1]日本學(xué)者統(tǒng)計(jì)到的行人步頻見表1。

為了避免出現(xiàn)共振，不同規(guī)范對(duì)結(jié)構(gòu)的頻率進(jìn)行不同的限制。瑞典國家規(guī)范Bro2004認(rèn)為，豎向基頻應(yīng)大于3.5Hz;歐洲國際混凝土委員會(huì)規(guī)范CEB（1993）和瑞士規(guī)范SIA160（1989）均建議避免使結(jié)構(gòu)的豎向振動(dòng)固有頻率落在1.6～2.4Hz和3.5～4.8Hz的范圍內(nèi);日本道路協(xié)會(huì)僅要求豎向頻率不應(yīng)落在1.5～2.3Hz;英國規(guī)范BSI（1975）、加拿大安大略省規(guī)范OHBDC（1991）及歐盟的Eurocode等規(guī)范規(guī)定橋梁豎向基頻超過5Hz時(shí)結(jié)構(gòu)的振動(dòng)舒適性能滿足要求;我國《城市人行天橋與人行地道技術(shù)規(guī)范》（CJJ 69—95）規(guī)定不宜小于3Hz。[2]

2? ? 工程實(shí)例

2.1? ?實(shí)例一

常州BRT二號(hào)線工程在古運(yùn)河懷德橋現(xiàn)有老橋兩側(cè)各新建一座人行及非機(jī)動(dòng)車橋，跨徑組合為3m x 20m，每幅橋總寬7m。詳見圖1至圖3。

橋梁上部采用3跨3m x 20m鋼梁，橫向共設(shè)置4片工字鋼梁，橫向間距2m，縱向間隔4m設(shè)置一道橫梁;縱梁梁高65cm，鋼材采用Q345鋼板，頂、底板厚度25mm，腹板厚度12mm;上設(shè)8mm厚鋼橋面板，上澆注8cm厚混凝土鋪裝層，橋面設(shè)置1cm厚塑膠面層;橋墩臺(tái)均采用樁接蓋梁形式;支座均采用GJZ系列板式橡膠支座。

經(jīng)建模計(jì)算，縱梁鋼梁最大應(yīng)力為118MP，采用Q345鋼材強(qiáng)度較富裕（如圖4）。一階豎向自振頻率為3.10Hz（如圖5），能夠滿足規(guī)范不小于3Hz要求，但富裕度不多。

該橋建成后，由于橋梁為行人及非機(jī)動(dòng)車混行，尤其電動(dòng)三輪車通行時(shí)，橋梁震動(dòng)較大，人行舒適感欠佳。后重新修改模型計(jì)算，將橋墩支座改為固結(jié)形式（如圖6），橋梁自振頻率可提升至3.54Hz，人行不舒適感應(yīng)該會(huì)有所改善。從本次設(shè)計(jì)中，筆者吸取了經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)，為以后鋼結(jié)構(gòu)人行橋設(shè)計(jì)提供借鑒。

2.2? ?實(shí)例二

常州南大街鐵市巷天橋平面為L形，跨徑組合為16.5m+15.2m+22.9m+8.78m，天橋總寬4.3m。詳見圖7至圖9。

上部結(jié)構(gòu)采用焊接連續(xù)鋼箱梁，中心梁高0.9m，箱梁底寬1.2m，頂寬2.9m，兩側(cè)各懸臂70cm，側(cè)面采用弧線鋼板裝飾;鋼材采用Q345鋼板，頂、底板厚度25mm，腹板厚度12mm;上澆注8～10cm厚混凝土鋪裝層，橋面設(shè)置1cm厚塑膠面層;橋墩均采用φ0.8m鋼管混凝土立柱，與上部結(jié)構(gòu)箱梁焊接固結(jié)。

經(jīng)建模計(jì)算，縱梁鋼梁最大應(yīng)力為138MP，采用Q345鋼材強(qiáng)度較富裕（如圖10）。一階豎向自振頻率為4.37Hz（如圖11），能夠滿足規(guī)范不小于3Hz要求，富裕度也較大。

該天橋建成，僅為人群通行，實(shí)測橋梁震動(dòng)適中，人行舒適感較好，采用墩梁固結(jié)形式，有效提高了橋梁自振頻率。

3? ? ?結(jié)果分析

橋梁結(jié)構(gòu)的豎向自振頻率反應(yīng)著結(jié)構(gòu)固有的動(dòng)力特性（連續(xù)梁橋估算公式：[f=13.6162πl(wèi)2EIcmc]及[f=23.6512πl(wèi)2EIcmc]）[3]，它取決于自身的質(zhì)量和剛度，因此，直接增加剛度及減小質(zhì)量是提高頻率的基本方法;也可采取以下幾種措施提高結(jié)構(gòu)自振頻率：墩梁固接、采用大直徑樁基礎(chǔ)、增強(qiáng)基礎(chǔ)剛度、增大墩柱截面及剛度、增加梁高、增加鋼板厚度、增加鋼梁底緣寬度和梁面上采用變截面布置。[4]實(shí)例二中鋼板厚度、梁高、立柱直徑、箱梁底寬變化對(duì)自振頻率的影響對(duì)比見表2～5。由對(duì)比表格可知，增加梁高或鋼板厚度時(shí)，梁體剛度和質(zhì)量均增大，但自振頻率提高的不顯著，除非梁高和鋼板厚度增加很多，但從經(jīng)濟(jì)上不合理，其它的提高措施可按實(shí)際情況采用。

4? ? ?結(jié)語

通過以上兩座鋼結(jié)構(gòu)人行橋的設(shè)計(jì)分析，鋼結(jié)構(gòu)人行橋設(shè)計(jì)在遵循城市人行天橋與人行地道技術(shù)規(guī)范的前提下，應(yīng)考慮或注意以下5點(diǎn)。

（1）橋梁主梁承載能力及應(yīng)力很容易滿足規(guī)范要求，并且富裕度較大，但自振頻率比較難滿足規(guī)范要求或富裕度不大。

（2）對(duì)主梁梁高及鋼板厚度不能一味地增加，結(jié)合總體景觀設(shè)計(jì)，通過計(jì)算對(duì)比選取最優(yōu)方案。

（3）充分利用下部結(jié)構(gòu)對(duì)主梁的影響，有效的增大自振頻率。

（4）通過梁單元模型及有限元模型進(jìn)行對(duì)比，更準(zhǔn)確的對(duì)模型進(jìn)行分析，確保結(jié)果的準(zhǔn)確性。

（5）若自振頻率富裕度較小或不能滿足規(guī)范要求，可采用增設(shè)阻尼器等方法改變頻率，提高行人的舒適度。

同時(shí)，我國規(guī)范對(duì)行人舒適性的規(guī)定還不夠全面，設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)時(shí)也應(yīng)參考一些國外規(guī)范及實(shí)例，以人為本，盡量提高行人的舒適度。

參考文獻(xiàn)：

[1] 鄧德倫.鋼箱梁人行天橋自振頻率的影響因素研究[J].工程建設(shè)與設(shè)計(jì)，2014（3）：87-88.

[2] 建設(shè)部.城市人行天橋與人行地道技術(shù)規(guī)范CJJ69-95[ S].北京：中國建筑工業(yè)出版社，1996.

[3] 交通運(yùn)輸部.公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范JTG D60—2015 [S].北京：人民交通出版社，2015.

[4] 饒波.大跨度鋼箱梁人行天橋設(shè)計(jì)[J].城市道橋與防洪，2009（2）：30-32.