钢箱梁与钢桁架人行天桥力学性能对比分析★

申杨凡 续琦峰 杨 斌 王绍全 郭凯强 王艳琪 贾艳敏*

(东北林业大学土木学院，黑龙江 哈尔滨 150040)

·桥梁·隧道·

钢箱梁与钢桁架人行天桥力学性能对比分析★

申杨凡 续琦峰 杨 斌 王绍全 郭凯强 王艳琪 贾艳敏*

(东北林业大学土木学院，黑龙江 哈尔滨 150040)

为了分析并对比钢箱梁与钢桁架人行天桥的力学性能，建立了两者的ANSYS有限元计算模型，通过静力分析，得出钢桁架人行天桥的承载力更大，通过动力特性分析，钢桁架人行天桥较钢箱梁人行天桥更易产生扭转，且钢箱梁的自振频率较钢桁架的自振频率要大。

钢箱梁，钢桁架，人行天桥，力学性能

近年来，随着城市交通系统的逐渐完善，人行天桥的建设十分迅速，我国人行天桥多以钢箱梁和钢桁架人行天桥为主[1]，钢箱梁人行天桥具有轻质高强、结构设计简单、施工方便等优势[2]，然而钢桁架人行天桥较钢箱梁人行天桥的承载能力更强，且在结构的施工过程中也突显出了加工质量易于控制、施工吊装方便等诸多优点[3]。此外，钢桁架人行天桥的用钢量较钢箱梁人行天桥有较明显的优势[1]，但对钢桁架人行天桥竖向频率的控制需要受到设计者的特别注意[4]。上述诸多研究表明钢箱梁人行天桥与钢桁架人行天桥具有一定的可对比性，但国内诸多学者对两者力学性能的对比研究中有所欠缺。

本文通过对等跨度钢箱梁和钢桁架人行天桥建立ANSYS有限元模型，并通过静力分析和动力特性分析，对比研究钢箱梁与钢桁架人行天桥的力学性能，所得结论可为人行天桥的相关标准的制定提供参考依据。

1 计算模型

1.1 钢箱梁人行天桥计算模型

钢箱梁人行天桥单跨40 m，箱梁高度为1.1 m，桥面宽为3.3 m，所用材料为A3钢，图1为钢箱梁人行天桥横断面，钢箱梁的有限元模型采用Beam188单元，边界条件按简支约束处理并对桥梁施加自重，图2为钢箱梁人行天桥计算模型。

1.2 钢桁架人行天桥计算模型

钢桁架人行天桥计算模型单跨40 m，桥面宽为3.3 m，桥面板厚度为8 mm，所用材料为A3钢，上弦杆、下弦杆及下弦杆的横向连接杆为300 mm×300 mm×20 mm的方钢管，腹杆及上弦杆的横向连接杆为φ180×12 mm圆钢管[1]，图3为钢桁架人行天桥横断面，在钢桁架人行天桥有限元模型中，杆件采用Beam188单元，桥面板采用Shell181单元，边界条件按简支约束处理并施加自重，图4为钢桁架人行天桥计算模型。

2 静力分析

CJJ 69—95城市人行天桥与人行地道技术规范中对梁、桁架等大跨结构的人群荷载是根据不同加载长度所规定的，经上述规范中所给出的公式计算得人群荷载为4.1 kN/m2[5]，对钢箱梁及钢桁架人行天桥计算模型施加人群荷载，求解得到静力分析数据。

2.1 钢箱梁人行天桥静力分析

钢箱梁人行天桥的最大竖向挠度为21.6 mm，出现在跨中附近，最大弯矩、最大应力及应变均出现在跨中附近，所受最大弯矩值为60.2 kN·m，最大应力为64 MPa，最大应变为0.299×10-3。钢箱梁人行天桥的最大竖向挠度与跨径之比为1/2 286，CJJ 69—95城市人行天桥与人行地道技术规范规定，在静力作用下，梁板式主梁的最大竖向挠度与跨径之比要求不应超过跨径的1/600，其次，在结构自重及人群荷载作用下，最大竖向挠度不超过跨径的1/1 600时可不设预拱度[5]，根据计算结果可知，计算模型显然满足以上要求。

2.2 钢桁架人行天桥静力分析

钢桁架人行天桥的竖向挠度为17.5 mm，出现在跨中附近，钢桁架人行天桥的最大应力、最大应变及最大弯矩均出现在跨中处，最大应变为0.297×10-3，最大应力为63.6 MPa，最大弯矩值为43.8 kN·m。钢桁架人行天桥的最大竖向挠度与跨径之比为1/2 286，CJJ 69—95城市人行天桥与人行地道技术规范规定，在静力作用下，桁架的最大竖向挠度与跨径之比要求不应超过跨径的1/800，其次，在结构自重及人群荷载作用下，最大竖向挠度不超过跨径的1/1 600时可不设预拱度[5]，根据计算结果可知，计算模型显然满足以上要求。表1为钢箱梁与钢桁架人行天桥静力对比分析数据。

表1 钢箱梁与钢桁架人行天桥静力对比分析数据

2.3 钢箱梁与钢桁架人行天桥静力对比分析

由表1可知，钢箱梁与钢桁架人行天桥所受最大应力及应变几乎相同，而且产生的位置均为跨中附近，而两者所产生的最大竖向挠度之比为1∶0.81，两者均在跨中产生最大竖向挠度，钢桁架人行天桥的最大弯矩是钢箱梁人行天桥的1.37倍。因此，在静力作用下，钢桁架人行天桥的承载力更大。

3 动力特性分析

通过对钢箱梁和钢桁架人行天桥分别进行动力特性分析，得出钢箱梁和钢桁架人行天桥的动力特性，表2和表3分别为钢箱梁和钢桁架人行天桥的自振频率及振型特点，图5和图6分别为钢箱梁和钢桁架人行天桥的前5阶振型图。

3.1 钢箱梁人行天桥动力特性分析

根据表2可知，钢箱梁人行天桥的第一阶自振频率为4.754，CJJ 69—95城市人行天桥与人行地道技术规范规定人行天桥上部结构的竖向自振频率不小于3 Hz[5]，该桥梁结构显然满足规范要求。经动力特性分析可知，随着振型阶数的增大，钢箱梁人行天桥的自振频率逐渐增大，增大幅度先快后慢再变快，振型图随着频率的增大，振动特点按照一定的规律发生变化，依次出现对称竖向弯曲、S型竖向弯曲、对称横向弯曲，一阶对称竖弯过后，下一阶的振型便是二阶对称竖向弯曲。

表2 钢箱梁人行天桥的自振频率及振型特点

表3 钢桁架人行天桥的自振频率及振型特点

3.2 钢桁架人行天桥动力特性分析

根据表3可知，钢桁架人行天桥的第一阶自振频率为4.654，CJJ 69—95城市人行天桥与人行地道技术规范规定人行天桥上部结构的竖向自振频率不小于3 Hz[5]，该桥梁结构显然满足规范要求。经动力特性分析可知，随着振型阶数的增大，钢桁架人行天桥的自振频率逐渐增大，增大幅度较为平缓，振型图随着频率的增大，振动特点按照一定的规律发生变化，先发生扭转再发生弯曲，振型的阶数逐渐上升，弯曲依次为竖向弯曲、横向弯曲，钢桁架人行天桥的扭转是上弦杆相对于桥面板的相对位移所产生的，桥面板与上弦杆之间无明显的相对位移时，整桥的振型主要以竖向或横向弯曲为主。图7为钢箱梁和钢桁架人行天桥自振频率变化的拟合曲线。

3.3 钢箱梁与钢桁架人行天桥动力特性对比分析

根据图7可以十分明显的看出，钢箱梁人行天桥的第一阶频率与钢桁架人行天桥的第一阶频率十分接近，而钢箱梁人行天桥的自振频率及频率增长幅度均比钢桁架人行天桥大；其次，通过振型图的振动特点分析可知，钢桁架人行天桥较钢箱梁人行天桥更易发生扭转，这是因为钢桁架人行天桥的桥面板的厚度小，那么相应的抗扭刚度就不够，发生扭转的可能性就随之升高，而对于钢箱梁人行天桥而言，钢箱梁人行天桥的截面抗扭刚度较钢桁架人行天桥大，钢箱梁的横隔板充分发挥了增加截面抗扭刚度的作用。

4 结语

通过对钢箱梁人行天桥和钢桁架人行天桥所进行的静力、动力分析，对比两者各方面力学性能的优缺点可以得出以下几点结论：

1)在静力作用下，钢桁架人行天桥的最大弯矩是钢箱梁人行天桥的1.37倍，所产生的最大竖向挠度更小。因此，在静力作用下，钢桁架人行天桥的承载力更大。

2)在动力特性分析中，钢箱梁人行天桥的自振频率比钢桁架人行天桥高，但两者的第一阶频率十分接近，而随着阶数的增长，两者的差值也随之增大。

3)在分析两者的振型图时，显然会发现钢桁架人行天桥的扭转出现的十分频繁，且在第一阶振型图中就出现了扭转，然而钢箱梁人行天桥在前5阶振型图中都未出现扭转。

[1] 范旭辉.钢箱梁及钢桁架城市人行天桥对比分析[J].林业科技情报,2012,44(4):80-81.

[2] 饶 波.大跨度钢箱梁人行天桥设计[J].桥梁结构,2009,2(2):30-32.

[3] 刘晓捷，邵忠民，乔 宇.钢桁架结构在人行天桥中的应用[J].桥梁工程,2012,30(6):37-41.

[4] 王海丰.某钢桁架人行天桥方案设计[J].北方交通,2013(9):64-66.

[5] CJJ 69—95，城市人行天桥与人行地道技术规范[S].

[6] 王 洋，郝志军.ANSYS在土木工程应用实例[M].北京：中国水利水电出版社,2010.

[7] 张明生.钢桁架人行天桥设计[J].工程建设与设计,2012(5):162-164.

[8] 法永生，李 东.某钢结构人行天桥动力特性测试与有限元分析[J].建筑结构,2007,37(3):63-65.

[9] 崔 锴.钢桁架桥静力分析及地震荷载响应分析[J].山西建筑,2012,38(3):170-172.

Pedestrian bridge steel box girder with steel truss mechanics performance comparison and analysis★

Shen Yangfan Xu Qifeng Yang Bin Wang Shaoquan Guo Kaiqiang Wang Yanqi Jia Yanmin*

(SchoolofCivilEngi.,NortheastForestryUniv.,Harbin150040,China)

In order to analyze and contrast the steel box girder and steel truss pedestrian bridge mechanical properties, the ANSYS finite element calculation model is established, by static analysis, we can draw the steel truss of pedestrian bridge bearing capacity is larger, through the analysis of the dynamic characteristics of the pedestrian steel truss bridge with steel box girder footbridge reverse easier to be produced, and the natural frequency of vibration of the steel box girders for bigger than the natural frequency of vibration of steel truss.

steel box girder, steel truss, pedestrian bridge, mechanical properties

2015-02-08★：国家大学生创新训练计划项目(项目编号：201410225041)

申杨凡(1993- )，男，在读本科生； 续琦峰(1994- )，男，在读本科生； 杨 斌(1993- )，男，在读本科生； 王绍全(1993- )，男，在读本科生； 郭凯强(1992- )，男，在读本科生； 王艳琪(1992- )，男，在读本科生

贾艳敏(1962- )，女，博士，博士生导师，教授

1009-6825(2015)12-0172-03

U441

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