大跨径环形人行天桥竖向自振频率与挠度分析

罗民声

（重庆交通大学 建筑与土木工程 重庆 400041）

大跨径环形人行天桥竖向自振频率与挠度分析

罗民声

（重庆交通大学 建筑与土木工程 重庆 400041）

基于某大型钢结构波形钢腹板主梁人行天桥的设计，采用Midas Civil/2015有限元计算软件研究分析大跨径环形人行天桥结构设计的竖向自振频率与挠度，验证其是否满足规范要求，避免结构竖向自振频率和行人正常行走频率相近从而引发共振，危机行人和结构安全。

大跨径；环形人行天桥；波形钢腹板；竖向自振频率；挠度

1 工程概况

本文介绍的人行天桥位于国道 321线与深圳港口路交叉路口处，平面布置采用椭圆形，全桥为波形钢腹板组合桥面结构。桥梁全长330米，桥宽6.4米，净宽6米，宽度组成：0.2m（踢脚）+6m（人行道）+0.2m（踢脚），桥下国道321线与桥面净空≥5.5米。本桥为八跨连续梁桥，沿逆时针方向布置为：45m+39m+39m+45m+51m+36m+36m+39m，全桥共设置8个桥墩。

2 结构计算及模型

为避免共振，减小行人不安全感，天桥上部结构竖向自振频率不应小于3Hz[1]。根据以往工程设计经验，通常以结构竖向自振频率控制天桥设计。计算竖向挠度时，计算挠度值不应超过L/500，其中L为计算跨径[2]。人行天桥计算结果主要以竖向自振频率、人群荷载竖向最大挠度、最不利组合荷载下构件最大竖向扰度三项指标控制。

2.1 计算模型

采用有限元分析软件Midas Civil/2015模拟，共计268个单元（全桥均采用梁单元），252个节点。人行天桥以最大跨径51米为控制桥跨，通过选取不同主梁结构高度以及边界条件等因素进行对比分析，整体模型详见图1。

图1 有限元计算模型示意图

模型采用的单元类型、材料、截面形式见表1。

表1

2.1.1 计算荷载

⑴恒载：一期恒载：结构自重；二期恒载：包括桥面铺装、人行道栏杆等，经计算为12.9kN/m均布荷载。

⑵人群荷载：人群荷载集度：3.129kN/m2。

⑶温度荷载：采用梁截面温度梯度[3]，系统升温30℃，系统降温-15℃。

2.2 模型对比分析

选取不同主梁截面高度下测得相应竖向自振频率与挠度数据分析以及不同边界条件下结构的刚度分析。

2.2.1 主梁高度

波形钢腹板主梁截面梁高选取1.75m～2.75m共计5个工况（分别为1.75m、2m、2.25m、2.5m、2.75m），分别分析人行天桥竖向自振频率、人群荷载最大竖向挠度和最不利组合荷载[4]下构件最大竖向挠度三项主要控制指标，具体结果见图2～图4。

图2 结构竖向自振频率图（单位：Hz）

图3 人群荷载最大竖向挠度图（单位：mm）

图4 最不利组合荷载最大竖向挠度图（单位：mm）

由上述计算结果可以得出，竖向自振频率与波形钢腹板主梁梁高成正比，即随着梁体结构惯性矩的增加而增大，结果与理论结论一致。截面高度在2.0m～2.75m的竖向自振频率大于3Hz满足规范要求。人群荷载和最不利组合荷载作用下竖向最大挠度与波形钢腹板主梁梁高成反比，即随着梁体刚度增加，理论挠度随之减小，结果与理论结论一致。结合竖向自振频率、人群荷载竖向最大挠度和最不利组合荷载竖向最大挠度三者数据综合分析比较，虽然截面高度越大，结构竖向自振频率越大，荷载作用下挠度越小，但后期变化效果不明显，择优选取 2.25m作为波形钢腹板主梁截面设计计算高度。

2.2.2 边界条件

主梁边界条件通过选用不同的约束条件模拟支座的选型，经过对比分析最终确定4#和5#桥墩支座采用固定和单向活动支座，其余墩顶支座采用单向滑动支座和双向滑动支座。如选用墩梁固结，虽然通过增加下部结构的合成刚度，可以提高整体结构的竖向自振频率，但在梁体受力的过程中，特别是温度应力的影响，梁体需要释放法向应力，导致对下部结构刚度要求很高，因此下部结构需要做成粗大结构方能抵抗强大的法向应力作用[5]，而结合深圳实际的软土地基的现状，通过墩梁固结增加下部结构的合成刚度来提高整体结构的自振频率效果较差，择优考虑主梁边界条件为部分释放法向约束。

下部结构八个圆柱墩与地面边界条件全部定义为固接，作为整个结构的主要支撑，则需要全部固定以保证结构的整体稳定性，即使超静定次数更多，也要使结构处于一个更安定的条件下进行设计。

3 结语

波形钢腹板主梁因其自重轻，可以有效降低人行天桥自重，提高结构竖向自振频率同时也能降低结构自重引起的挠度，使得人行天桥在大跨径下亦能保持竖向自振频率和挠度满足规范要求，波形钢腹板的运用不仅解决了结构力学问题，其结构造型也为城市人行天桥增添色彩。城市建筑桥梁美观已然成为城市桥梁设计的一项重要指标，设计出合理美观的桥梁毅然是今后学者研究的重点方向之一。

[1]CJJ69-95，城市人行天桥与人行地道技术规范[S].北京：北京市市政工程研究院

[2]JTG D64-2015，公路钢结构桥梁设计规范[S].北京：中交公路规划设计院有限公司

[3]JTG D60-2015，公路桥涵设计通用规范[S].北京：中交公路规划设计院有限公司

[4]CJJ11-2011，城市桥梁设计规范[S].北京：中国建筑工业出版社

[5]张东，李琳，王玲玲.圆环形人行天桥关键技术分析[J].公路，2016（04）

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1007-6344（2017）02-0034-01