李興正，王立峰，郭 宏，諶彩霞

(東北林業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院)

1 引言

近年來，我國的城市交通逐漸發(fā)達(dá)，為了完善城市路網(wǎng)的功能，方便市民安全出行。同時又不影響行車的舒適度，減少城市道路的擁堵情況，各大城市陸續(xù)興建了很多人行天橋。鑒于城市規(guī)劃和施工工期的限制，城市人行天橋通常選用鋼箱梁結(jié)構(gòu)。由于鋼箱梁結(jié)構(gòu)自重較輕、剛度較小，相比混凝土橋梁而言其動力性能較差，動力作用更容易影響行人通行的安全感和舒適度?！冻鞘腥诵刑鞓蚺c人行地道技術(shù)規(guī)范》對于人行天橋的豎向自振頻率做出規(guī)定，要求人行天橋上部結(jié)構(gòu)的自振頻率不能小于3Hz，由此可見，相比公路橋梁而言，人行天橋的動力性能有更明確的要求。本文應(yīng)用結(jié)構(gòu)分析軟件對哈爾濱市一座鋼箱梁人行天橋進(jìn)行了動力分析，給出了其自振特性及相關(guān)減振的措施，能夠?yàn)橥悩蛐偷脑O(shè)計(jì)與計(jì)算提供必要的指導(dǎo)。

2 工程概況

哈爾濱市某人行天橋?yàn)閱慰珉p懸臂的簡支鋼箱梁結(jié)構(gòu)形式，該橋總長45.0 m，其中主跨41.5 m，兩側(cè)懸臂長度1.75 m，箱梁高度為1.3 m，橋面寬3.5 m，主橋鋼箱梁采用16 Mn鋼板，橋梯除主梁部分采用16 Mn鋼板之外，其余均采用A3鋼板;橋面鋪裝材料為50 mm厚的防水混凝土，混凝土內(nèi)設(shè)置φ6@100鋼筋網(wǎng)，上側(cè)鋪設(shè)18 mm厚的火燒板。

3 動力性能分析

3.1 有限元模型的建立

本文通過應(yīng)用有限元分析軟件MIDAS對該人行天橋進(jìn)行動力性能分析。模型的建立考慮該橋縱向的曲線線形，鋼箱梁采用一般的梁單元進(jìn)行模擬，考慮了橫隔板構(gòu)造、橋面鋪裝和行人荷載采用均布荷載進(jìn)行模擬。有限元模型如圖1所示。

圖1 所建立的有限元模型

3.2 自振特性分析

MIDAS軟件中對自振特性的計(jì)算不同于集中質(zhì)量法，采用的是利茲算法。首先把所有的荷載轉(zhuǎn)化為質(zhì)量，再通過有限元法對結(jié)構(gòu)進(jìn)行離散分析，可以比較精確地計(jì)算出橋梁的自振特性，對本文所研究的人行天橋進(jìn)行有限元動力計(jì)算所得出的前5階自振頻率見表1。

第一階自振模態(tài)如圖2所示。

圖2 一階自振模態(tài)圖

表1 計(jì)算出的前5階自振頻率(一)

結(jié)合表1和圖2可以看出，該橋的一階自振頻率計(jì)算值為1.466，模態(tài)表現(xiàn)為對稱豎彎。一階自振頻率值比規(guī)范要求的3 Hz要小。因此，為滿足要求，需要采取必要的措施提高其自振頻率，其一階模態(tài)與一般單跨梁橋的模態(tài)相符，都表現(xiàn)為對稱豎彎。

3.3 結(jié)構(gòu)自振頻率的提高措施

為了理解自振頻率的影響因素，特給出自振頻率的計(jì)算公式(集中質(zhì)量法)

式中:[K］表示的是結(jié)構(gòu)的剛度矩陣;{φl}表示的是第1階的振型向量;ω21表示的是第1階振型的特征值;[M］表示的是結(jié)構(gòu)的剛度矩陣。

結(jié)合式(1)能夠看出結(jié)構(gòu)的自振頻率由其自身的剛度和質(zhì)量分布決定，因而提高頻率的有效方法就是增大剛度，減小質(zhì)量。就鋼箱梁而言，采用加厚鋼板的方法增加的剛度和質(zhì)量基本是等效的，對于增大頻率的效果并不明顯，同時增加鋼板的厚度還會增加工程造價，可見這不是首選的措施。

在橋梁設(shè)計(jì)中，如果跨徑和結(jié)構(gòu)形式已經(jīng)選定，那么采用不同的支承條件會對結(jié)構(gòu)的剛度產(chǎn)生很大的影響，本文所涉及的人行天橋采用的是雙支座的簡支約束，如果考慮增加邊界約束，即改靜定結(jié)構(gòu)為超靜定結(jié)構(gòu)，按照此想法對原結(jié)構(gòu)的邊界條件進(jìn)行修改，把箱梁兩端的雙排簡支約束中的一個修改為固定約束，按照修改邊界后進(jìn)行自振頻率的計(jì)算，所得出的前5階自振頻率如表2所示，一階自振模態(tài)如圖3所示。

表2 計(jì)算出的前5階自振頻率(二)

圖3 一階自振模態(tài)圖(修改邊界后)

結(jié)合表2和圖3并對比表1和圖2，可以看出，修改邊界后，一階自振模態(tài)仍表現(xiàn)為對稱豎彎，只是幅值較簡支狀態(tài)下減小，而一階自振頻率增大為4.104，較原來的簡支狀態(tài)下頻率有大幅增加，達(dá)到了規(guī)范的要求。

4 結(jié)論

本文通過對一座單跨雙懸臂的簡支鋼箱梁人行天橋進(jìn)行動力分析，計(jì)算出其自振頻率和相應(yīng)的模態(tài)特征。計(jì)算結(jié)果表明，原簡支結(jié)構(gòu)的一階自振頻率為1.466，不能滿足規(guī)范中大于3 Hz的要求。本文擬采取修改原橋梁支承形式的措施，經(jīng)過對邊界修改后的人行天橋，再次進(jìn)行計(jì)算，得出新的一階自振頻率為4.104，能夠滿足規(guī)范的要求。

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[3]李天宇.大慶市某人行天橋動力性能研究[D］.大慶:東北石油大學(xué)，2010.