溫天宇，唐　堂

某鋼桁架人行橋自振特性測試及振動控制研究

溫天宇，唐堂

（江蘇省交通規(guī)劃設(shè)計院股份有限公司，江蘇 南京 210014）

對某振感較大的鋼桁架人行橋進(jìn)行了自振特性測試，并利用有限元分析軟件Midas Civil建立橋梁結(jié)構(gòu)的空間分析模型，通過基于實測數(shù)據(jù)的模態(tài)分析結(jié)果與理論分析結(jié)果的比較，確定橋梁結(jié)構(gòu)的剛度和自振頻率是否滿足規(guī)范要求，并對橋梁上部結(jié)構(gòu)進(jìn)行改造，通過增加結(jié)構(gòu)剛度來改善橋梁的自振頻率和振動特性，為此類橋梁類似問題的解決提供參考。

鋼桁架；人行橋；振動控制；自振特性

隨著我國城市化進(jìn)展的加快和現(xiàn)代交通工具及設(shè)施的日益改善，城市交通網(wǎng)絡(luò)得以不斷的完善。為保證城市交通順暢、行人安全，人行橋如雨后春筍般涌現(xiàn)，尤其是在車輛和行人較為密集的街區(qū)、城市干道上，目前運營的和在建的人行橋中鋼桁架人行橋由于施工方便、造型優(yōu)美而占有較大比例，是經(jīng)常被采用的一種橋型，然而部分橋梁由于設(shè)計階段考慮不周、施工質(zhì)量不能保證、運營期間材質(zhì)劣化等因素造成橋梁結(jié)構(gòu)剛度及阻尼的降低，導(dǎo)致橋梁結(jié)構(gòu)自振頻率的不斷減小，當(dāng)結(jié)構(gòu)的自振頻率離人行步伐頻率范圍越近，行人在橋面通行時對橋梁振動越敏感，當(dāng)結(jié)構(gòu)的自振頻率在人行步伐頻率范圍內(nèi)時容易發(fā)生人致振動，不僅影響行人在橋面通行時的舒適性，甚至?xí)鹂只牛?］。

1　工程概況

某橋梁全長91.979 m，平面曲線半徑330.955 m，豎曲線半徑188.770 m，為5孔結(jié)構(gòu)連續(xù)的鋼桁架梁橋，跨徑組成為（10.19+17.79+19.872+17.79+10.19）m；橋梁孔跨縱向由北向南依次編號為1#～5#孔，墩臺依次編號為0#臺、1#～4#墩、5#臺。橋面全寬12 m，邊孔橋面布置為0.7 m（花槽）+0.8 m（坡道）+2.5 m（人行道）+0.2 m（車擋）+3.6 m（非機動車道）+0.2 m（車擋）+2.5 m（人行道）+0.8 m（坡道）+0.7 m（花槽），中孔橋面布置為0.7 m（花槽）+10.6 m（人行道）+0.7 m（花槽）；上部結(jié)構(gòu)為鋼桁架梁，由工廠預(yù)制、現(xiàn)場拼接法施工完成，所用鋼材為Q345；下部結(jié)構(gòu)采用重力式墩臺；橋面采用賈拉木板；設(shè)計荷載標(biāo)準(zhǔn)，人群荷載3.5 kN/m2。

該橋桁架縱向由3根鋼管組成，上下層鋼管間通過豎向、斜向鋼管焊接連接；在上層鋼管頂部焊接橫向變截面大工字梁，共39片。橋梁全寬12 m，兩側(cè)懸挑段各長4 m，外側(cè)高0.35 m、寬0.26 m；中間等截面段高0.5 m、寬0.26 m；在截面變化處與縱向鋼管焊接，相鄰大工字梁間各設(shè)置1片等截面橫向工字梁，高0.15 m、寬0.15 m，與大I梁螺栓連接；在大I梁兩側(cè)懸挑段及中間段各有2道縱向小工梁，高0.2 m、寬0.1 m，與大I梁螺栓連接。橋梁布置如圖1～圖3所示。

橋梁于2004-09建成，至今已運營11年。橋梁位于文化水廊景區(qū)，人流量較大，在運營過程中，市民反映橋梁振感明顯，尤其行人在橋面外側(cè)懸臂區(qū)域行走時振感較強。

圖1　橋梁平面圖（單位：cm）

圖2　橋梁立面圖（單位：mm）

圖3　橋梁橫斷面圖（單位：mm）

2　模型建立

采用大型橋梁結(jié)構(gòu)分析有限元軟件Midas Civil建立本橋的空間結(jié)構(gòu)分析模型如圖4所示，其中I字梁與鋼管均采用梁單元模擬，I字梁與鋼管的焊接連接采用軟件的剛性連接模擬，豎向支撐桿件采用桁架單元模擬，與鋼管的螺栓連接采用軟件的鉸接連接模擬，橋面板、欄桿及花槽等作為二期恒載施加。通過軟件的模態(tài)分析模塊得到該橋的典型振型和自振頻率如圖5～圖7所示。

圖4　計算模型

圖5　加固前上部結(jié)構(gòu)理論第1階豎向振型

圖6　加固前上部結(jié)構(gòu)理論第2階豎向振型

圖7　加固前上部結(jié)構(gòu)理論第6階豎向振型

將本橋各模態(tài)測點的加速度時程曲線進(jìn)行頻譜分析，選取典型的豎向振型如圖8所示。

圖8　上部結(jié)構(gòu)實測豎向振型圖

上部結(jié)構(gòu)豎向自振頻率實測值與計算值比較如表1所示。

表1　上部結(jié)構(gòu)豎向自振頻率實測值與計算值比較表

參照《公路橋梁承載能力檢測評定規(guī)程》（JTG/ T J21—2011）第5.9.2條，宜根據(jù)橋梁實測自振頻率fmi與理論計算頻率fdi的比值，按表2確定橋梁自振頻率評定標(biāo)度，得到本橋自振特性評定標(biāo)度如表3所示［2］：

表2　橋梁自振頻率評定標(biāo)準(zhǔn)

?

根據(jù)《城市人行天橋與人行地道橋技術(shù)規(guī)范》（CJJ69—1995）第2.5.4條：為避免共振，減少行人不安全感，橋梁上部結(jié)構(gòu)豎向自振頻率不應(yīng)小于3 Hz［3］。本橋第1階理論計算頻率3.05 Hz接近于限值3 Hz，第1階實測頻率2.76 Hz小于限值3 Hz，且小于理論值，不滿足規(guī)范要求，且上部結(jié)構(gòu)實際剛度小于理論狀態(tài)。第2階頻率實測值小于理論值，表明上部結(jié)構(gòu)實際剛度小于理論狀態(tài)。由于橋面中間為電動車道，行人一般行走在橋面外側(cè)，即懸挑區(qū)域，而本橋外側(cè)懸挑過大，所以行人在外側(cè)懸挑區(qū)域行走時易引起外側(cè)懸挑梁的振動，為提高橋梁上部結(jié)構(gòu)剛度和自振頻率，有效控制橋梁在行人通行時的振動，應(yīng)對本橋進(jìn)行改造，使結(jié)構(gòu)自振頻率避開人行步伐頻率范圍，避免發(fā)生共振。

3　結(jié)構(gòu)體系改造

在2#～4#孔兩側(cè)懸臂段工字梁底焊接縱向鋼管，并通過豎向支撐桿件將橋面人群荷載傳遞至下部結(jié)構(gòu)，由于所焊接的縱向鋼管規(guī)格及空間形狀與原鋼構(gòu)件一致，故改造方案較好地保證了橋梁結(jié)構(gòu)的景觀協(xié)調(diào)性。橫斷面改造示意圖如圖9所示。

圖9　橫斷面改造示意圖（單位：mm）

4　鋼桁架梁改造后的特征值驗算分析

計算橋梁結(jié)構(gòu)在增加縱向鋼管和豎向支撐桿件后的理論計算自振頻率，與改造前的自振頻率相比較，判斷橋梁結(jié)構(gòu)在改造后的自振頻率是否滿足規(guī)范［3］的要求，是否較大地避開了人行步伐的頻率范圍：1.4～2.4 Hz（1階）、2.8～3.5 Hz（2階）［4］。

根據(jù)本橋改造施工方案，建立橋梁空間模型如圖10所示，分析得到橋梁上部結(jié)構(gòu)典型振型如圖11所示。

圖10　改造后橋梁的有限元分析模型

對比可知改造前后橋梁上部結(jié)構(gòu)1階振型頻率由3.05 Hz增加至4.54 Hz，2階振型頻率由3.79 Hz增加至7.36 Hz，6階振型頻率由7.06 Hz增加至9.57 Hz，橋梁結(jié)構(gòu)剛度得到較大提高。

圖11　改造后上部結(jié)構(gòu)理論6階振型

5　結(jié)論

本文對某振感較大的鋼桁架人行橋進(jìn)行了自振特性測試，并利用有限元分析軟件Midas Civil建立橋梁結(jié)構(gòu)的空間分析模型，通過基于實測數(shù)據(jù)的模態(tài)分析結(jié)果與理論分析結(jié)果中的曲型振型的比較，確定橋梁結(jié)構(gòu)的剛度和自振頻率是否滿足規(guī)范要求，并通過對橋梁上部結(jié)構(gòu)進(jìn)行改造，增加結(jié)構(gòu)剛度來改善橋梁的振動與自振特性，為此類橋梁類似問題的解決提供參考。

［1］李雪超，程海根.鋼桁架人行橋人致振動［J］.山西建筑，2012，38（34）：178-180.

［2］JTG/T J21—2011公路橋梁承載能力檢測評定規(guī)程［S］.

［3］CJJ 69—95城市人行天橋與人行地道技術(shù)規(guī)范［S］.

［4］陳政清，華旭剛.人行橋的振動與動力設(shè)計［M］.北京：人民交通出版社，2009.

Self-vibration Characteristics Test and Vibration Control for A Steel Truss Pedestrian Bridge

Wen Tianyu， Tang Tang
（Jiangsu Province Communications Planning and Design Institute Limited Company， Nanjing 210014， China）

This paper carried out a self-vibration characteristics test of a pedestrian bridge which appeared oversized vibration，and established spatial analysis model using finite element analysis software Midas Civil. Determination was made of the stiffness and free-vibration frequency about bridge structure whether meet and the requirements of standard， by comparing the modal analysis results based on the measured data with the theoretical analysis results. And the stiffness of structure was strengthened by the transformation of bridge superstructure to improve the natural frequency and self-vibration characteristics of bridge. It provided a reference for the solution of similar problem of this type of bridges.

steel truss；pedestrian bridge； vibration control； self-vibration characteristics

U441.3

A

1672-9889（2015）06-0021-04

溫天宇（1981-），男，內(nèi)蒙古人，工程師，主要從事橋梁檢測與維修加固設(shè)計工作。

（2015-03-06）