譚興豐，吳立峰， 陳立一

(溫州設計集團有限公司,浙江溫州 325000)

大型環(huán)形人行天橋設計影響因素分析

譚興豐，吳立峰， 陳立一

(溫州設計集團有限公司,浙江溫州 325000)

基于某大型鋼結構人行天橋的設計,采用有限元計算軟件分析,通過對跨徑、梁高、邊界條件及結構形式等影響因素進行分析,定性分析相關因素對天橋結構的自振頻率影響,并得出一些結論和意見,對大型環(huán)形天橋及其類似工程的設計計算具有一定的借鑒意義。

人行天橋；有限元分析；自振頻率；影響因素

0 引言

隨著城市化進程的推進,城市交通的發(fā)展,單純依靠平面交通已不能滿足整體需求,交通安全也存在較大隱患,為保證行人的安全、車輛行駛的順暢,更多的傾向于采用立體交通解決行人過街,而在立體交通的選擇措施上,人行天橋的設計也越來越被重視。本文主要從大型環(huán)形人行天橋的設計角度出發(fā),闡述相關影響因素的選擇,天橋的平面布置形式主要有工字形、圓形、橢圓形、X形、丁字形和U形等,結構的材料主要有混凝土、鋼結構、鋁合金等。

該文介紹的天橋地處道路十字交叉口,平面布置采用橢圓形,主橋材料采用鋼結構箱梁,天橋最大跨徑33.85 m,重點進行天橋設計過程中影響因素的分析。

1 工程概況

天橋位于溫州市某商圈,上跨城市主干道與城市次干道十字交叉口,主干道呈東西走向,次干道呈南北走向,主干道橫斷面布置為6.5 m(人行道)+ 3.5 m(非機動車道)+ 20.0 m(車行道) + 3.5 m (非機動車道)+ 6.5 m(人行道)=40.0 m；次干道橫斷面布置為5.0 m(人行道)+ 3.0m(非機動車道)+ 12.0 m(車行道) + 3.0 m(非機動車道)+ 5.0 m(人行道)=28.0 m,全橋共設置八個橋墩,橋墩墩柱宜布置在人行道范圍內,天橋采用單跨跨越主干道和次干道,2#和5#橋墩之間最大跨徑為33.85 m。天橋橋位平面圖見圖1。

圖1 天橋橋位圖

2 結構計算及模型

全橋采用鋼結構施工,主要優(yōu)點是施工較為方便快捷,對道路交叉口交通影響較小,主體結構采用工廠分段加工制作,工藝成熟,工地現(xiàn)場施工工作量較小,施工質量更有保證；鋼結構自重相對混凝土結構自重較輕,可節(jié)省下部結構工程造價。本橋橫斷面采用單箱單室鋼箱梁,布置形式為0.5 m (種植槽)+0.25 m(欄桿)+4.0 m(人行道)+0.25 m(欄桿)+ 0.5 m(種植槽)=5.5 m。

依據(jù)文獻［1］第2.5.4條規(guī)定：為避免共振,減小行人不安全感,天橋上部結構豎向自振頻率不應小于3Hz。根據(jù)以往工程設計經驗,通常由結構自振頻率控制天橋設計,首先對結構自振頻率進行分析計算,根據(jù)自振頻率計算結果,選擇適當?shù)慕Y構高度,再進行結構變形、強度等相關計算。文獻［1］第2.5.2條規(guī)定：天橋上部結構,由人群荷載計算的最大豎向撓度不應超過梁板式主梁跨中L/600的限值。天橋計算結果主要以自振頻率和人群荷載最大豎向撓度兩項指標來控制,輔助以最不利工況下構件最大豎向撓度控制指標,根據(jù)以往工程計算,構件強度等指標在滿足前面指標的情況下基本能滿足規(guī)范要求。

2.1 計算模型

采用有限元分析軟件MIDAS2012對天橋結構進行分析,主橋結構采用梁單元模擬,天橋計算以最大跨徑33.85m為控制橋跨,通過選取不同的主梁結構高度、主梁環(huán)形閉合與否、邊界條件等相關因素進行分析,整體模型見圖2。

圖2 天橋結構有限元模型圖

2.1.1 主梁結構高度

根據(jù)現(xiàn)狀分析,結合落墩位置,天橋平面采用橢圓形布置,設置八個橋墩,梁高選取1.1～1.5 m共計五個梁高斷面形式,分別分析天橋自振頻率、人群荷載最大豎向撓度、最不利工況下構件最大豎向撓度三項主要控制指標,具體結果見圖3-圖5。

圖3 結構自振頻率圖(單位:Hz)

圖4 人群荷載最大豎向撓度圖(單位:mm)

圖5 不同梁高對應的計算結果

計算結果表明,自振頻率隨著主梁梁高的增大相應增大,即隨著梁體結構慣性矩的增加而增大,與理論結論吻合。規(guī)范要求自振頻率大于3 Hz即可,結合人群荷載最大豎向撓度和最不利工況構件的最大豎向撓度,擇優(yōu)選取1.3 m梁高為計算梁高。

2.1.2 主梁環(huán)形閉合與否

天橋平面布置為橢圓環(huán)形結構,在結構選型上可考慮整體閉合連續(xù)梁或者對稱在3#和6#橋墩頂設置開口形成兩幅連續(xù)梁。針對兩項不同的結構分析計算結果,結果數(shù)據(jù)見表1。

表1 環(huán)形閉合與否對應的計算結果

計算結果表明,局部開口形成兩幅連續(xù)梁的情況下結構豎向撓度較整體閉合連續(xù)梁較大,而自振頻率較整體閉合連續(xù)梁小,因為閉合結構上部梁體整體性較好,在彎矩、剪力等內力反應上能起到一定的削峰效果,結構受力較好,與理論分析吻合。局部開口結構雖然在開口位置能釋放局部的應力,但整體性沒有閉合結構好,擇優(yōu)選取閉合連續(xù)梁結構。

2.1.3 邊界條件

主梁邊界條件通過選用不同的約束條件模擬支座的選型,經過對比分析最終確定4#和5#橋墩支座采用固定和單向活動支座,其余墩頂支座采用單向活動支座和雙向活動支座。如選用墩梁固結,雖然通過增加下部結構的合成剛度,可以提高整體結構的自振頻率,但在梁體受力過程中,特別是溫度應力的影響,梁體需要釋放法向應力,導致對下部結構剛度要求很高,因此下部結構需要做成粗大結構方能抵抗強大的法向應力,而結合溫州實際的軟土地基現(xiàn)狀,通過墩梁固結增加下部結構的合成剛度從而提高整體結構的自振頻率效果較差,擇優(yōu)考慮主梁邊界條件為部分釋放法向約束。

3 相關因素綜合分析比較

(1)結構跨徑對自振頻率影響明顯,跨徑與自振頻率成反比,跨徑減小自振頻率相應增加,因為天橋總體布置基本是在已有的建筑物限制范圍內實施,跨徑因素基本已明確,僅能在其他因素調整余地較小的情況下,綜合考慮跨徑因素。

(2)結構質量對自振頻率也有一定的影響,質量越大,自振頻率越小,因此結構自重需綜合考慮縱向、橫向等加勁肋板的重量,否則計算結果偏于不利。

(3)通過計算結果表明,結構梁高與自振頻率成正比,提高結構梁高,增加梁體剛度,增大梁體結構慣性矩,對結構自振頻率影響最大,在滿足自振頻率的前提下,擇優(yōu)選取梁體結構高度。

(4)結構體系采用環(huán)形閉合連續(xù)梁還是局部開口兩幅連續(xù)梁對自振頻率和結構受力影響較小,僅從全橋整體性考慮分析,優(yōu)選環(huán)形閉合連續(xù)梁。

(5)邊界條件對自振頻率影響較大,但由于溫州的軟土地基的現(xiàn)狀,通過增加下部結構的合成剛度來提高結構的自振頻率,將對下部結構提出很高的要求,效果較差。

(6)其他輔助措施,比如消能減振設備TMD或MTMD的應用也可改善結構的使用性能。

綜上所述,在已有的建筑布局內布置天橋結構時,應盡可能采用連續(xù)梁結構,并盡量減少跨徑,減輕梁體自重,在全面考慮梁體自重和外部荷載的情況下,使自振頻率滿足規(guī)范要求；必要時可通過增加結構高度、改變邊界條件等方式適當增加自振頻率,也可輔助采用消能減振的措施和設備。

4 結語

以大型環(huán)形天橋為工程背景,利用有限元分析軟件,分析不同跨徑、不同梁高、不同邊界條件、不同結構形式等相關因素對自振頻率的影響,并將有限元計算結果同理論分析相結合,定性分析相關因素對自振頻率的影響,對大型環(huán)形天橋及其類似工程的設計計算具有一定的借鑒意義。

［1］ CJJ69-95,城市人行天橋與人行地道技術規(guī)范［S］.

U448.11

B

1009-7716(2015)09-0098-03

2015-04-02

譚興豐(1982-)，男,浙江湖州人,工程師,碩士研究生,主要從事市政橋梁設計與加固設計工作。