黃積勇

(福州市規(guī)劃設(shè)計研究院 福建福州 350104)

0 引言

城市人行天橋建設(shè)除了滿足行人過街的功能需求以外，作為城市景觀工程的一個重要組成部分，往往兼顧城市地標(biāo)性建筑物的景觀需求。同時城市道路地下管線眾多，為盡量避免遷移管線，天橋的跨徑選擇受到諸多限制。為減小天橋建設(shè)期間對交通的影響，加快工程進(jìn)度，鋼箱梁橋是城市天橋建設(shè)的首要選擇。但鋼箱梁橋往往造型單一，用鋼量指標(biāo)相對較大；受力學(xué)指標(biāo)、結(jié)構(gòu)基頻等限制，大跨徑箱梁橋的梁高需要采用較大的尺寸。由于桁架橋梁可選擇上承、中承或下承，結(jié)構(gòu)類型可選擇余地較大；考慮天橋的結(jié)構(gòu)美學(xué)造型要求，采用桁架結(jié)構(gòu)同時綜合外立面造型設(shè)計，拓展了新的設(shè)計思路。本文以福道跨甘洪路橋梁為背景，通過建立全橋有限元計算模型，分析異形桁架結(jié)構(gòu)的受力特點，為今后類似工程建設(shè)提供參考。

1 工程概況

福道跨甘洪路橋梁是福道由閩江國光公園跨越甘洪路進(jìn)入金牛山山體的重要節(jié)點，該橋橋型設(shè)計在保持原有自然地貌的基礎(chǔ)上，提出弧形曲線橋梁的設(shè)計理念，以一種流暢柔和的姿態(tài)，將人流自然地導(dǎo)入整個福道的步道系統(tǒng)中。

設(shè)計方案在深入研究橋址區(qū)人群交通的特質(zhì)與現(xiàn)有地形之間的關(guān)系后，通過運用弧形曲線橋梁的創(chuàng)新手法，巧妙避開周邊現(xiàn)有山體以及道路紅線對設(shè)計的限制，將地形上原來的劣勢合理轉(zhuǎn)換為一種新的設(shè)計風(fēng)格加以全新的呈現(xiàn)，其橋型設(shè)計讓人群自然無縫地導(dǎo)入福道主線。

立面造型設(shè)計方面，不但考慮了行車的視角，而且也站在行人的角度上，對于橋梁整體模型的大小進(jìn)行了深層次的研究，以保證整個天橋與周圍環(huán)境的融合。與此同時，由于所處的地理位置與臨近閩江的地理條件，風(fēng)荷載也作為考量的一個重要因素?？紤]到桁架結(jié)構(gòu)構(gòu)件對視線的干擾，天橋桁架梁體外側(cè)采用鋁合金進(jìn)行裝飾。

鋁合金裝飾板采用了穿孔的處理方式，并按黃金比例的原則，對裝飾板進(jìn)行了輕微彎曲的處理，大大減小了裝飾構(gòu)造對于結(jié)構(gòu)所帶來的負(fù)擔(dān)，也降低了橋梁體量對行人及車輛所帶來的視覺沖擊。

橋梁主體結(jié)構(gòu)采用變截面彎、坡桁架異形橋，跨徑布置為22.162+15.628+65.729+11.517，橋面寬4 m。組成桁架的各構(gòu)件均采用圓形鋼管，構(gòu)件采用工廠相貫線切割、焊接制造，現(xiàn)場吊裝的方法施工。主橋的立面如圖2所示。

圖2 梁立面布置

圖3 橋梁橫斷面布置

2 有限元模型

為研究跨甘洪路桁架橋的受力特性，采用midas 軟件建立該橋的空間有限元計算模型，如圖4所示。

圖4 全橋主梁模型

橋梁全橋各單元均采用梁單元進(jìn)行模擬，桁架腹桿間距約4 m。為降低橋面高程，橋梁主跨采用中承式斷面；桁架高度扶手部分高度統(tǒng)一采用1.4 m(主桁架上弦桿中心至扶手輔助桁架頂弦桿中心)。主桁架高度2.38～4.03不等，截面采用梯形布置。

3 整體計算分析

橋梁工程設(shè)計荷載按人群荷載5 kPa;風(fēng)荷載0.7 kPa；結(jié)構(gòu)整體升降溫取-5℃～45℃，初始溫度20℃，升溫25℃，降溫25℃。總體靜力計算采按照實際施工截面、實際的加工位置建立結(jié)構(gòu)計算模型?？傮w計算根據(jù)荷載組合要求的內(nèi)容進(jìn)行內(nèi)力、應(yīng)力、主梁極限承載力計算，驗算結(jié)構(gòu)在運營階段應(yīng)力、主梁極限承載力及整體剛度是否符合規(guī)范要求。

圖5 全橋應(yīng)力計算結(jié)果

由圖5中可知，桁架弦桿、腹桿最大應(yīng)力不超過210 MPa，滿足《公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計規(guī)范》規(guī)范要求[1]；但不同區(qū)域的桿件應(yīng)力差別較大，桿件尺寸宜根據(jù)受力狀況分類采用，根據(jù)實際內(nèi)力、應(yīng)力分析的基礎(chǔ)上調(diào)整構(gòu)件尺寸。

在人群荷載作用下跨中結(jié)構(gòu)的最大位移為7.9 cm<8.21 cm=L/800，結(jié)構(gòu)撓度滿足要求[2]。

圖6 豎向撓度(活荷載)

活荷載或風(fēng)荷載下側(cè)向撓度要求活荷載或風(fēng)荷載:最大撓度 ≤ H/300；風(fēng)壓根據(jù)風(fēng)壓以及迎風(fēng)面積，計算出均布力加載在桁架的弦桿，進(jìn)行驗算。

圖7 風(fēng)荷載位移效應(yīng)

4 減振方案

人行橋在行人激勵下其自振頻率接近人行走或者跑動的頻率時，容易發(fā)生共振，以致其豎向加速度超過人體舒適度極限，給行人心理上造成恐慌，嚴(yán)重時會造成人行橋的整體破壞。

根據(jù)計算結(jié)果，第一豎向震型的固有頻率為1.9赫茲。進(jìn)一步的步行震動分析確定了在2Hz的行走激勵頻率下橋的振動響應(yīng)。分析結(jié)果顯示橋梁為中度動態(tài)敏感結(jié)構(gòu)，其響應(yīng)因子(R)為40。

國際上目前有以下規(guī)范規(guī)定的人行橋舒適度評價標(biāo)準(zhǔn)[3]：

表1 國際規(guī)范中人行橋振動舒適度的臨界值

圖8 國際標(biāo)準(zhǔn)化組織ISO規(guī)范中人行橋振動舒適度的臨界曲線(行人運動中)

圖8為國際標(biāo)準(zhǔn)化組織ISO規(guī)范中人行橋振動舒適度的豎向振動加速度限值臨界曲線(行人運動中)，在本結(jié)構(gòu)振動頻率下取值0.4(m/s2)。

不同環(huán)境、不同振動頻率下人體舒適度豎向振動峰值加速度限值見表2[4]：

表2 豎向振動峰值加速度限值

該項目豎向振動加速度限值擬采用國內(nèi)規(guī)范不封閉連廊 0.5m/s2。

計算時，選取整體結(jié)構(gòu)自身阻尼比為0.01。求解方式陣型疊加法，分析時間為15s，步長為 0.01s；在此行人步行激勵下，人行橋跨中節(jié)點的豎向振動加速度響應(yīng)如圖9所示。

圖9 豎向加速度時程曲線

跨中豎向加速度峰值為3.2m/s2。

在跨中布置5套豎向TMD及5水平向TMD來減小人行橋的加速度，TMD參數(shù)如表3所示，其布置如圖10所示。

表3 TMD參數(shù)表

圖10 TMD布置位置示意圖

安裝 TMD 減振器后，有顯著的減振效果。圖11分別為安裝TMD 前后結(jié)構(gòu)最大振動加速度響應(yīng)時程曲線。可以看出，安裝TMD后，結(jié)構(gòu)的加速度響應(yīng)大幅度降低，并達(dá)到規(guī)范要求。

圖11 加設(shè)TMD跨中加速度時程

表4 結(jié)構(gòu)加 TMD 前后加速度振動響應(yīng)對比

加設(shè)TMD后結(jié)構(gòu)最大加速度的取值為結(jié)構(gòu)達(dá)到穩(wěn)態(tài)后振動峰值。

5 結(jié)論

以跨甘洪路異形桁架橋梁為背景，分析了異形桁架橋梁結(jié)構(gòu)在荷載作用下總體結(jié)構(gòu)、各桿件的受力情況以及橋梁的舒適性分析，得到以下結(jié)論：(1)城市景觀橋梁采取異形桁架結(jié)構(gòu)設(shè)計是可行的；(2)異形桁架各構(gòu)件零散化嚴(yán)重，個別構(gòu)件的應(yīng)力較大。應(yīng)根據(jù)實際內(nèi)力、應(yīng)力分析的基礎(chǔ)上調(diào)整構(gòu)件尺寸；(3)在風(fēng)荷載作用下側(cè)向撓度、支座的穩(wěn)定性設(shè)計應(yīng)著重考慮；(4)大跨徑人行橋梁第一垂直自振頻率較小，按人行天橋規(guī)范要求滿足不小于3Hz的設(shè)計要求將導(dǎo)致結(jié)構(gòu)體量進(jìn)一步加大，人致振動和舒適性的設(shè)計分析以及減震的分析與減震方案設(shè)計是設(shè)計重要考量之一。