摘要：国内外经验表明，动力效应通常是人行桥结构设计的控制因素，尤其在质量轻、柔度大的钢结构桥梁上表现得更为明显。本文以成都市高新区某大跨度等高变宽连续钢箱梁天桥为例，分析了桥梁的静力及动力特性，着重介绍了人行舒适度的计算方法及控制要求，并提出了合理的解决方案。
关键词：大跨度；钢结构；人行天桥；结构设计；舒适度；减振； TMD
1 工程概况
本桥位于成都市高新区，平面采用S形跨越锦江，平面曲线最小半径为64m、最大半径为103m；标准段全宽为8m，桥墩处桥面设置观景平台，宽度由8m渐变至15m，采用R=10m和R=15m曲线进行过渡，平台中心设置膜结构马蹄莲造型。
主桥上部结构采用56.5m+75m+56.5m+25m等高变宽连续钢箱梁，梁高2.5m，材料为Q345C，上翼缘宽8m～15m，上翼缘宽3m～10m，箱梁外包裹GRC混凝土装饰板。下部结构桥台采用桩接盖梁式桥台、钻孔灌注桩基础，桥墩采用2m×10m圆端型薄壁桥墩，承台接钻孔灌注桩基础。桥梁标准断面采用0.05m栏杆+2.5m非机动车道+5.4m人行道+0.05m栏杆=8m；桥面宽度在桥墩处曲线渐变加宽至15m。桥面人行道采用高耐竹地板、自行车道采用装饰混凝土，下设5cm防水混凝土；栏杆采用无骨架玻璃栏杆。膜结构马蹄莲龙骨生根于桥墩顶，从钢箱梁顶、底板开孔中穿出，开孔直径为4m。
2 结构分析
2.1有限元模型
采用大型有限元程序Midas 2017建立全桥整体空间模型，梁单元数共计390个，节点数共计441个。支座采用弹性连接模拟，桥台处支座底及桩底固定，桥墩处支座底与墩顶节点刚性连接；桩侧土弹簧采用只受压节点弹性支承模拟。
全桥空间模型
2.2荷载输入
主梁自重由程序自动计算，考虑加劲隔板及焊缝重量，自重乘以1.05系数；桥面铺装：q=2.4kN/㎡；护栏（单侧）：q=1.0kN/m；外包GRC装饰（换算为均布荷载布置于顶板）：q=1.18kN/㎡；压重：考虑到箱体较小，压重材料采用大容重铁砂混凝土，q=100kN/㎡（压重范围，25m边跨梁端支座处横梁加宽箱式内）；梯道搭接恒荷载：q=20.25KN（单个支点）；温度作用：按整体升温20°，整体降温25°考虑；人群荷载：4.0Kpa。
2.3静力计算结果简述
垂直方向的人行激励时程曲线采用国际桥梁及结构工程协会（IABSE）连续步行的荷载模式，这一荷载模式考虑了步行力幅值随步频增大而增大的特点，计算公式为：
式中：Fv（t）为垂直方向的步行激励力；P为体重；
为第i阶谐波分量的动力系数，
，
；fs为步行频率；t为时间；
为为第i阶谐波分量的相位角，
，
。
2.4人行荷载激励位置
第一跨桥面通行面积约为496㎡，参考国外的研究成果，对行走载荷所做的进一步假设如下：a. 第一跨桥面上人员的密度为1人/㎡，桥面通行面积约为496㎡，共有n=496人；b. 第一跨桥面上与第四阶固有频率同步的人数为：
人。人行荷载激励施加位置选取振型位移最大处即为跨中位置。
同理，第二、三跨桥面通行面积分别为714㎡、557㎡，假设第二、三跨桥面上人员的密度为1人/㎡，则桥面人数分别为n=714、557人，第二跨桥面上与第二阶固有频率同步的人数为：
人，第三跨行人和第六阶固有频率同步的人数为：
人。人行荷载激励施加位置均选取振型位移最大处即为跨中位置。
2.5动力计算结果及舒适度分析与设计
考虑人员体重70kg，运动频率范围在1～3Hz，因此除上述共振情况的最不利激励频率，还需要补充考虑人员运动频率范围内的非共振频率激励，本项目考虑三跨桥段的激励的频率为1Hz、2Hz、3Hz和最不利激励频率，工况如下：工况1：第一跨，人行激励2.540Hz（共振频率）；工况2：第一跨，人行激励1Hz；工况3：第一跨，人行激励2Hz；工况4：第一跨，人行激励3Hz；工况5：第二跨，人行激励1.433Hz（共振频率）；工况6：第二跨，人行激励1Hz；工况7：第二跨，人行激励2Hz；工况8：第二跨，人行激励3Hz；工况9：第三跨，人行激励3.385Hz（共振频率）；工况10：第三跨，人行激励1Hz；工况11：第三跨，人行激励2Hz；工况12：第三跨，人行激励3Hz。
人行荷载均匀布置于桥面竖向振动的最不利点处，激励时长为15s。舒适度指标参考《德国人行桥设计指南》EN 03（2007），按最大舒适度，竖向振动加速度峰值小于0.5m/s2控制。
计算结果显示，工况1下第一跨竖向振动峰值加速度为1.968 m/s2，工况5下第二跨竖向振动峰值加速度为1.433 m/s2，工况9下第三跨竖向振动峰值加速度为3.896 m/s2，均远大于0.5m/s2的最大舒适度限值。
根据竖向加速度峰值计算结果，设计采用调谐质量阻尼器（下文简称TMD）减小桥梁竖向振动加速度峰值。根据模态分析结果，设计了三种型式的TMD，分别布置于各跨模态振幅最大处，即跨中附近。第一跨设置两套，每套质量为2t，刚度为489766（N/m），频率采用2.540Hz，阻尼系数采用5262(N*s/m)，阻尼为0.084；第二跨设置四套，每套质量为2t，刚度为153752（N/m），频率采用1.433Hz，阻尼系数采用3371(N*s/m)，阻尼为0.096；第三跨设置两套，每套质量为2t，刚度为869321（N/m），频率采用3.385Hz，阻尼系数采用7011(N*s/m)，阻尼为0.084。
计算结果显示，结构在步行激励下的振动加速度峰值有很大程度的降低，能满足竖向振动加速度限值的要求。安装TMD前后结构各工况下的的加速度峰值汇总如下表所示。
鉴于计算模型及施工可能存在误差，设计阶段预留TMD的安装位置，待主体施工完成后对桥梁动力特性进行测试根据测试结果优化安装TMD的技术方案。
结语
大跨度连续钢箱梁人行桥主要为舒适度控制设计，合理采用减震措施可以在满足人行舒适度的同时同时采用较小梁高，节省投资。
参考文献
[1]中交公路规划设计院.JTG D62-2004.公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范.北京：人民交通出版社，2004.
[2]中交公路规划设计院有限公司.JTG D60-2015.公路桥涵设计通用规范.北京：人民交通出版社股份有限公司，2015.
[3]中交公路规划设计院有限公司.中交JTG D64-2015.公路钢结构桥梁设计规范.北京：人民交通出版社股份有限公司，2015.
[4]北京市市政工程研究院.CJJ 69-95.城市人行天桥与人行地道技术规范.北京：中国建筑工业出版社，1996.
[5]Jean-Paul Lebet& Manfred A. Hirt.钢桥 钢与钢-混组合桥梁概念和结构设计.葛耀君苏庆田 等 译. 北京：人民交通出版社股份有限公司，2014.
论文作者:陶亮,魏俊
论文发表刊物:《基层建设》2018年第19期
论文发表时间:2018/9/10
标签：人行论文; 工况论文; 桥面论文; 荷载论文; 频率论文; 加速度论文; 峰值论文; 《基层建设》2018年第19期论文;