高 宇,扈軒誠,賀小衛(wèi)
(西安市政設(shè)計(jì)研究院有限公司,陜西 西安 710068)
為提升大雁塔北廣場通行安全,提升景區(qū)品質(zhì)及風(fēng)貌,擬在西安市大雁塔北廣場建設(shè)兩座景觀人行天橋,分別為慈恩西路人行天橋和芙蓉東路人行天橋,以解決大雁塔北廣場行人、游客過街交通安全問題。由于兩座天橋跨徑布置形式類似,故本文以芙蓉東路人行天橋?yàn)槔M(jìn)行介紹。
芙蓉東路人行天橋位于芙蓉東路與西影路交叉口處,主橋采用3跨連續(xù)鋼箱梁,分別跨越芙蓉東路及西影路,主橋總寬均為5.1 m,跨徑布置為(27.29+21.52+47)m,第一跨梁高0.9 m,第二跨梁高由跨中0.9 m變高至1.8 m(第三跨側(cè)),第三跨梁高由跨中1.3 m變高為1.8 m墩頂處。分別在芙蓉東路東西兩側(cè)及西影路北側(cè)設(shè)置1∶ 2梯道,在芙蓉東路東側(cè)設(shè)置1∶ 8的無障礙坡道,并在西影路南、北兩側(cè)設(shè)置兩座無障礙垂直電梯。芙蓉東路人行天橋1∶ 2梯道梁全寬分別為4.1、4.9 m,坡道梁全寬3.1 m。天橋橋墩均采用圓柱墩,樁基礎(chǔ);橋臺均采用臺樁式橋臺。芙蓉東路天橋平面布置見圖1。
圖1 芙蓉東路天橋平面布置圖
主梁主要鋼板厚度:箱梁頂板厚度16 mm,底板18~25 mm,腹板16 mm;橫隔板14 mm,支座處橫隔板24 mm,縱向加勁肋厚16 mm。
第三跨變高主梁為主梁設(shè)計(jì)控制界面,斷面見圖2~3。
圖2 梁高1.3 m主梁橫斷面圖
圖3 梁高1.8 m主梁橫斷面圖
1)橋梁設(shè)計(jì)安全等級:一級。
2)設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期:100年;設(shè)計(jì)使用年限:100年。
3)人群標(biāo)準(zhǔn)荷載:主橋4.3 kPa、樓梯:4.7 kPa。
4)地震設(shè)防烈度:8度; 設(shè)計(jì)地震動峰值加速度0.20g。
5)主梁橋面全寬:均為5.1 m;梯、坡道全寬:芙蓉東路天橋梯道分別為4.1、4.9 m,坡道為3.1 m。
6)主橋橋面最大縱坡:芙蓉東路天橋?yàn)?.94%。
7)樓梯梁坡度:1∶ 2,坡道坡度:1∶ 8。
8)橋下凈高:≥4.5 m。
9)欄桿扶手高度:≥1.1 m。
10)橋面抗滑等級應(yīng)滿足《交通部彩色防滑路面標(biāo)準(zhǔn)》(JTT 712—2008)中高防型BPN≥70。
本橋靜力分析采用Midas Civil對施工及運(yùn)營階段進(jìn)行了驗(yàn)算,計(jì)算中考慮了恒載、活載、溫度荷載等。主要計(jì)算參數(shù)為。
1)鋼材容重:γ=78.5 kN/m3。
2)二期恒載:鋪裝:C40混凝土:γ=25 kN/m3;外裝飾荷載:主梁:4.5 kN/m,梯、坡道不大于4 kN/m;TMD調(diào)頻質(zhì)量阻尼器:4塊(單塊1.1 t,設(shè)置于第三跨跨中處)。
3)年平均相對濕度:70%。
4)整體升降溫度:最高溫度:39℃ ;最低溫度:-15℃,合龍溫度為15℃。
5)梯度溫度:按規(guī)范計(jì)算。
采用Midas Civil有限元軟件進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析,整體模型采用桿系單元。將主梁劃分為84個梁單元進(jìn)行分析,全橋仿真模型見圖4。
圖4 全橋仿真模型
按照施工順序和工藝并結(jié)合鋼箱梁結(jié)構(gòu)特點(diǎn),驗(yàn)算施工階段、運(yùn)營階段、各荷載工況下鋼箱梁各部縱向受力情況。包括正常使用極限狀態(tài)下的鋼梁頂板、底板和腹板各項(xiàng)應(yīng)力、變形驗(yàn)算等。
經(jīng)計(jì)算可知:單梁計(jì)算截面最大壓應(yīng)力為133 MPa,最大拉應(yīng)力為138 MPa。由《公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG D 64—2015)表3.2.1可得Q355D結(jié)構(gòu)鋼的抗拉壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值為270/275 MPa,故主梁在承載能力極限狀態(tài)下其正應(yīng)力滿足規(guī)范要求。
單梁計(jì)算截面最大剪應(yīng)力為43 MPa。由《公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG D64—2015)表3.2.1可得Q355D結(jié)構(gòu)鋼的抗剪強(qiáng)度設(shè)計(jì)值為155/160 MPa,故主梁在承載能力極限狀態(tài)下其剪應(yīng)力滿足規(guī)范要求。
平面內(nèi)受彎構(gòu)件腹板正應(yīng)力和剪應(yīng)力共同作用時,應(yīng)滿足以下公式:
(1)
計(jì)算可得:凈活載產(chǎn)生的撓度值小于L/600,滿足規(guī)范要求。
恒載+凈活載的總撓度大于L/1600,所以需要設(shè)置預(yù)拱度。
預(yù)拱度=(恒載撓度+靜活載撓度)。
本設(shè)計(jì)中主橋第三跨控制截面跨中向上設(shè)125 mm的預(yù)拱度,預(yù)拱度線形均按二次拋物線設(shè)置,具體數(shù)值見表1。
表1 鋼箱梁第三跨控制截面豎向撓度值 單位:mm
由模態(tài)分析得到結(jié)構(gòu)豎向振動的第1、2階振型的振動頻率為1.85、2.38 Hz;人的一般步行頻率為1.5~3.2 Hz;因此當(dāng)大量人群在樓板上行走時,易引起共振,且通過軟件分析發(fā)現(xiàn)確有較高的峰值加速度。
盡管結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度滿足要求,不會發(fā)生強(qiáng)度破壞,但是因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)共振引起的加速度的振幅過大,超過人體舒適度耐受極限,極易在人的心理上造成恐慌。本次設(shè)計(jì)在對該結(jié)構(gòu)進(jìn)行結(jié)構(gòu)動力特性分析基礎(chǔ)上對其采用粘滯流體阻尼器-調(diào)頻質(zhì)量阻尼器減振技術(shù),對結(jié)構(gòu)的人行活動的共振響應(yīng)進(jìn)行振動控制。
根據(jù)本工程的實(shí)際特點(diǎn),決定對該結(jié)構(gòu)進(jìn)行消能減振設(shè)計(jì),采用單點(diǎn)TMD-粘滯流體阻尼器消能減振系統(tǒng)。
1)消能減振設(shè)計(jì)原理。TMD(Tuned Mass Damper)即調(diào)頻質(zhì)量阻尼器,是結(jié)構(gòu)被動減振控制體系的一類,它由主結(jié)構(gòu)和附加在結(jié)構(gòu)上的子結(jié)構(gòu)(固體質(zhì)量和彈簧減振器等)組成。通過調(diào)整子結(jié)構(gòu)的自振頻率,使其盡量接近主結(jié)構(gòu)的基本頻率或激勵頻率。當(dāng)主結(jié)構(gòu)受激勵而振動時,子結(jié)構(gòu)就會產(chǎn)生一個與結(jié)構(gòu)振動方向相反的慣性力作用在結(jié)構(gòu)上,使主結(jié)構(gòu)的振動反應(yīng)衰減并受到控制。調(diào)頻質(zhì)量阻尼器減振控制存在有效控制的的激勵頻寬問題,一般來說,裝設(shè)一個子結(jié)構(gòu),只能對以某個頻率為主的外部激勵進(jìn)行有效減振控制。TMD系統(tǒng)的自振頻率取決于彈簧減振器的有效剛度kd,彈簧減振器的有效剛度可通過調(diào)節(jié)彈簧絲直徑、中徑、節(jié)距、有效長度、有效圈數(shù)和單圈剛度來實(shí)現(xiàn);TMD系統(tǒng)的阻尼Cd由粘滯阻尼器提供,其值及TMD系統(tǒng)調(diào)頻質(zhì)量md的大小根據(jù)計(jì)算確定。
2)TMD安裝位置及參數(shù)。經(jīng)設(shè)計(jì)優(yōu)化計(jì)算,在第三跨跨中位置布置4套TMD減振裝置,每套質(zhì)量為1.1 t,性能參數(shù)見表2。
表2 TMD性能參數(shù)表
3)減震效果分析。第三跨跨中節(jié)點(diǎn)豎向位移和加速度結(jié)果對比見表3。
表3 第三跨跨中節(jié)點(diǎn)豎向位移和加速度結(jié)果對比
1)通過計(jì)算分析,大雁塔北廣場芙蓉東路景觀人行天橋上部結(jié)構(gòu)的剛度、強(qiáng)度以及穩(wěn)定性驗(yàn)算均滿足規(guī)范要求,結(jié)構(gòu)在運(yùn)營期間安全有保證。
2)TMD調(diào)頻質(zhì)量阻尼器可以有效地控制人行天橋的振動,改善行人通過天橋的舒適性。
3)在第三跨跨中鋼箱梁內(nèi)安裝總重4.4 t(4套,各1.1 t)的TMD進(jìn)行減振,可以大幅減小結(jié)構(gòu)在人行激勵下的豎向振動加速度和跨中豎向最大位移,對橋梁共振響應(yīng)的減振效果良好(第三跨跨中豎向最大位移的減震率為73.9%,最大加速度的減震率為74.3%,加速度降低到0.334 m/s2,使其滿足0.35 m/s2的限值要求);為TMD調(diào)頻質(zhì)量阻尼器應(yīng)用于大跨鋼結(jié)構(gòu)人行天橋減震方面提供了經(jīng)驗(yàn)。
4)相比于增加橋梁梁高,采用TMD進(jìn)行減震設(shè)計(jì)來提高行人通過天橋的舒適性,可以減少上部結(jié)構(gòu)荷載,節(jié)省更多的鋼材用量,從而降低了工程造價,結(jié)構(gòu)的安全性能夠得到保障。
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