某大跨异形人行钢桥设计与研究

周 晨

（华昕设计集团有限公司,江苏 无锡 214072）

0 引言

城市河流的功能不仅仅局限于供水、排涝、灌溉、航运等，更是转向了景观、休闲、娱乐等多方位的都市需求，其上架设的景观人行桥是城市交通和人文景观的重要组成部分，既是一种实用型的市政基础设施，同时又是一座立体造型的建筑艺术品，体现了城市的文化底色和精神内涵。为打造艺术与美感相结合的城市桥梁，人行桥在设计过程中往往更加注重于材料新颖、结构轻巧、空间曲线、大跨异形结构等元素[1-2]。

该项目为某滨河公园跨越伯渎河的人行桥梁。伯渎河滨河公园以“梦回伯渎，七里画廊”为设计愿景，希望通过景观的打造，描绘出七里如画的美好场景。该桥为整个公园的一个重要人文景观节点和连接公园南北两侧的重要交通节点，与北岸凤尾建筑构成凤凰飞舞之形态，是伯渎河的中心高潮点。通过对项目的功能定位与景观总体方案研究，可知曲线、异形、轻盈贯穿了该次设计的全过程。该文以此造型需求的工程项目为对象，对大跨异形景观人行桥结构进行了设计与研究。

1 工程概况

该方案取意凤凰飞舞，桥体按S 形布置，与拱形顶棚完美结合，形成具有优美动感的曲线的景观桥，实现了游客在桥上移步换景的观景效果。桥梁立面布置见图1。

图1 桥型立面布置图（mm）

桥梁全长164 m，跨径布置为40 m+70 m+48 m，桥宽5～6.84 m。主桥结构型式为三跨等高变宽钢箱梁，单箱双室结构，钢梁梁高1.7 m。主桥上部设置钢结构顶棚，下部结构采用V 形墩，与上部顶棚对应设置，主墩斜腿采用钢结构。桥梁典型断面布置见图2。

图2 典型断面布置图（mm）

2 结构静力分析

2.1 静力分析

根据桥梁总体设计方案建立空间有限元模型，主梁和顶棚结构分别采用梁单元和板单元进行模拟。模型中考虑了结构自重、填充混凝土重量、二期恒载、人群荷载、基础沉降、整体升温降温、温度梯度、风荷载等作用。

桥梁施工顺序模拟如下：①施工下部桥墩基础及主墩斜腿墩座；②搭设临时支墩；③吊装并焊接钢主梁；④安装顶棚钢结构；⑤拆除施工支架，施工桥面系，安装栏杆、亮化等设施。

2.2 计算结果

2.2.1 强度验算

使用阶段主梁上缘正应力和下缘正应力包络见图3，顶棚顶板、底板主应力包络见图4。

图4 顶棚顶底板主应力包络图（MPa）

由以上结果可知，在承载能力极限状态基本组合下钢梁截面上下缘最大弯曲正应力为195.2 MPa，顶棚顶底板最大主应力为156.5 MPa，钢材应力均低于Q355 钢材的抗弯强度设计值280/1.1=254.5 MPa，满足规范要求。

2.2.2 变形验算

依据《公路钢结构桥梁设计规范》，汽车及人群荷载（不计冲击力）引起的连续梁竖向挠度值不应超过计算跨径的1/500，人群荷载作用下结构竖向挠度计算结果见表1。

表1 频遇组合下结构竖向挠度

3 结构动力分析及舒适度评估

该文采用Midas Civil 对人行桥进行结构动力验算，特征值向量分析采用Lanczos 法，将结构自重、二期恒载转换为质量，不考虑桥面混凝土铺装对结构刚度的影响。整体模型前四阶的计算结果见表2。

表2 整体模型动力计算结果

参照《城市人行天桥与人行地道技术规范》[3]以及《建筑楼盖结构振动舒适度技术标准》[4]对人行天桥结构舒适度的要求，正常使用时人行桥上部结构第一阶竖向自振频率不应小于3 Hz，第一阶横向自振频率不宜小于1.2 Hz；当竖向或横向自振频率不满足上述要求时，应当采取必要的防振或减振措施，确保上部结构竖向和横向振动峰值加速度不超出规范限值。可以看出该桥的竖向未能满足规范要求，横向振动频率可满足要求。随着我国桥梁建设水平的发展和高强度材料、新型结构体系的应用，大跨度人行桥结构亦趋于轻盈灵动，其自振频率已很难达到规范的舒适度指标要求。该次参照德国人行桥设计指南（EN03）[5]，进行人行舒适度评估，若人行振动荷载所引起的桥梁振动峰值加速度能满足规范限值，不超出户外人行舒适性界限，可认为人行桥结构的动力特性满足要求。规范[6]给出了人行天桥的人行振动荷载模型，其单位面积的荷载激励如式（1）～（3）所示。

式中，Fb——一阶荷载的幅值，对于竖向振型取值280 N；ψ——荷载折减系数；γ'——等效人群密度；d——人群密度；N——人行总人数，可取N=dA；A——桥面荷载面积；ζ——阻尼比影响系数。基于Midas Civil 动力验算模型，激励荷载考虑等效同步人群的竖向一阶人行荷载，计算人行荷载作用下的上部结构加速度响应，从而分析其动力性能。该次选择多个交通级别对应的人群密度（d=0.5、1.5 人/m2）进行分析，人行舒适性的分析评价结果见表3。

表3 人行荷载振动舒适性分析

由分析结果可知，对应设计指南[5]规定的最大交通级别（TC5）下的舒适度等级为中等，同时依据《建筑楼盖结构振动舒适度技术标准》，参考室外“不封闭连廊”的振动峰值加速度限值取值，竖向峰值加速度不应大于0.5 m/s2，不能满足要求，应采取适当的振动控制措施。

4 人行舒适度控制

针对人行桥振动的特点，避免桥梁共振导致的破坏，常见的人行桥振动控制措施主要有：①控制桥上人群密度，随着交通量的增加，荷载不断加大，人致振动的峰值加速度也会相应增大；②调整结构频率，使得桥梁自振频率回避结构共振敏感的频率范围；③被动阻尼减振，阻尼有助于减小结构的共振振幅，可通过提高人行桥结构的阻尼从而减少结构共振响应。

通常情况下减小桥梁结构的自重或增大结构刚度，一定程度上可以提高上部结构的自振频率。该桥采用钢结构，通过增加主梁梁高，提高结构刚度会对桥梁景观造型影响较大，建议增设TMD 阻尼器来对结构进行减振控制。通过调整TMD 系统与主体结构的质量比、系统的阻尼比和刚度等参数，使其频率与桥梁上部结构的固有频率相等或接近。当主结构受外荷载激励产生振动时，TMD 系统产生的惯性力反作用到结构上，使的主结构的振动反应衰减进而控制振动响应。

选择TMD 参数时，首先根据工程经验，确定TMD与主体结构质量比，得出控制主体结构位移和加速度的TMD 频率比和阻尼比最优值，从而进一步确定TMD 阻尼器的刚度和阻尼系数[7]。一般情况下，质量越大，减振效果越显著。但TMD 的质量不能无限制的增大，质量越大时其体积也会增大，安装较困难，且会增加桥梁上部结构的不利荷载。因此，常用的阻尼装置质量一般取为主体结构振型的模态质量1%～5%。

该次质量比选取为5%，则TMD 质量为3 500 kg，得到TMD刚度和阻尼系数分别为727 565 N/m和12 840 Ns/m。在进行TMD 减振设计后，人群密度为1.5 人/m2时，全桥一阶竖向振型最大竖向加速度为0.4 m/s2。减振后该桥的舒适度等级由中等变为最佳，竖向峰值加速度可满足规范限值要求，布置TMD 对控制人行桥振动具有积极效果。

5 结语

该文以大跨异形钢结构人行桥的设计为背景，分析了该类型桥梁的结构设计要点，并对其进行静力分析及动力特性计算。该类型桥型结构轻巧，自振频率往往不能满足规范要求，需进行结构振动舒适性评价以及相应振动控制措施。

针对大跨异形钢结构人行桥，其结构的强度、刚度及舒适度都应满足规范要求。当前国内人行桥规范（CJJ 69—95）仅对结构竖向基频提出了要求，未涉及振动舒适度的问题，在进行人致振动舒适度分析时，人行振动荷载及舒适度评价可参考国内外相关规范的荷载模型及标准。此外，通过安装TMD 可有效减小桥梁结构在上部人群荷载作用下的动力响应，其结构外形尺寸小，对桥梁景观几乎没有影响，可使该桥减振后的舒适度等级达到最佳级别。