人行天桥动力性能研究

李兴正，王立峰，郭 宏，谌彩霞

(东北林业大学土木工程学院)

1 引言

近年来，我国的城市交通逐渐发达，为了完善城市路网的功能，方便市民安全出行。同时又不影响行车的舒适度，减少城市道路的拥堵情况，各大城市陆续兴建了很多人行天桥。鉴于城市规划和施工工期的限制，城市人行天桥通常选用钢箱梁结构。由于钢箱梁结构自重较轻、刚度较小，相比混凝土桥梁而言其动力性能较差，动力作用更容易影响行人通行的安全感和舒适度。《城市人行天桥与人行地道技术规范》对于人行天桥的竖向自振频率做出规定，要求人行天桥上部结构的自振频率不能小于3Hz，由此可见，相比公路桥梁而言，人行天桥的动力性能有更明确的要求。本文应用结构分析软件对哈尔滨市一座钢箱梁人行天桥进行了动力分析，给出了其自振特性及相关减振的措施，能够为同类桥型的设计与计算提供必要的指导。

2 工程概况

哈尔滨市某人行天桥为单跨双悬臂的简支钢箱梁结构形式，该桥总长45.0 m，其中主跨41.5 m，两侧悬臂长度1.75 m，箱梁高度为1.3 m，桥面宽3.5 m，主桥钢箱梁采用16 Mn钢板，桥梯除主梁部分采用16 Mn钢板之外，其余均采用A3钢板;桥面铺装材料为50 mm厚的防水混凝土，混凝土内设置φ6@100钢筋网，上侧铺设18 mm厚的火烧板。

3 动力性能分析

3.1 有限元模型的建立

本文通过应用有限元分析软件MIDAS对该人行天桥进行动力性能分析。模型的建立考虑该桥纵向的曲线线形，钢箱梁采用一般的梁单元进行模拟，考虑了横隔板构造、桥面铺装和行人荷载采用均布荷载进行模拟。有限元模型如图1所示。

图1 所建立的有限元模型

3.2 自振特性分析

MIDAS软件中对自振特性的计算不同于集中质量法，采用的是利兹算法。首先把所有的荷载转化为质量，再通过有限元法对结构进行离散分析，可以比较精确地计算出桥梁的自振特性，对本文所研究的人行天桥进行有限元动力计算所得出的前5阶自振频率见表1。

第一阶自振模态如图2所示。

图2 一阶自振模态图

表1 计算出的前5阶自振频率(一)

结合表1和图2可以看出，该桥的一阶自振频率计算值为1.466，模态表现为对称竖弯。一阶自振频率值比规范要求的3 Hz要小。因此，为满足要求，需要采取必要的措施提高其自振频率，其一阶模态与一般单跨梁桥的模态相符，都表现为对称竖弯。

3.3 结构自振频率的提高措施

为了理解自振频率的影响因素，特给出自振频率的计算公式(集中质量法)

式中:[K］表示的是结构的刚度矩阵;{φl}表示的是第1阶的振型向量;ω21表示的是第1阶振型的特征值;[M］表示的是结构的刚度矩阵。

结合式(1)能够看出结构的自振频率由其自身的刚度和质量分布决定，因而提高频率的有效方法就是增大刚度，减小质量。就钢箱梁而言，采用加厚钢板的方法增加的刚度和质量基本是等效的，对于增大频率的效果并不明显，同时增加钢板的厚度还会增加工程造价，可见这不是首选的措施。

在桥梁设计中，如果跨径和结构形式已经选定，那么采用不同的支承条件会对结构的刚度产生很大的影响，本文所涉及的人行天桥采用的是双支座的简支约束，如果考虑增加边界约束，即改静定结构为超静定结构，按照此想法对原结构的边界条件进行修改，把箱梁两端的双排简支约束中的一个修改为固定约束，按照修改边界后进行自振频率的计算，所得出的前5阶自振频率如表2所示，一阶自振模态如图3所示。

表2 计算出的前5阶自振频率(二)

图3 一阶自振模态图(修改边界后)

结合表2和图3并对比表1和图2，可以看出，修改边界后，一阶自振模态仍表现为对称竖弯，只是幅值较简支状态下减小，而一阶自振频率增大为4.104，较原来的简支状态下频率有大幅增加，达到了规范的要求。

4 结论

本文通过对一座单跨双悬臂的简支钢箱梁人行天桥进行动力分析，计算出其自振频率和相应的模态特征。计算结果表明，原简支结构的一阶自振频率为1.466，不能满足规范中大于3 Hz的要求。本文拟采取修改原桥梁支承形式的措施，经过对边界修改后的人行天桥，再次进行计算，得出新的一阶自振频率为4.104，能够满足规范的要求。

[1]白捷，徐地升，曹云枝.钢结构人行天桥的动力分析与设计[J］.山西建筑，2010，(4):339-340.

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