钢结构人行天桥主梁参数和约束条件合理性研究_李竹青.pdf

第 37 卷第 1 期粉 煤 灰 综 合 利 用Vol37No12023 年2 月FLY ASH COMPEHENSIVE UTILIZATIONFeb.2023道桥技术钢结构人行天桥主梁参数和约束条件合理性研究ationality Study on the Parameters and Constraints of Main Girder of the Steel Structure Pedestrian Bridge李竹青，钱若霖(陕西工业职业技术学院 土木工程学院，陕西 咸阳 712000)摘要:城市化进程的不断加快对行人和非机动车的出行安全带来新的问题和挑战，城市道路交叉口往往都会修建人行天桥以保障行人的安全通行。钢结构人行天桥以其自重轻、强度高的特点被广泛采用，根据规范中频率设计法要求，其自振基频不能超过 3 Hz，这对人行天桥的设计提出了更高的要求。通过有限元仿真分析，研究钢结构人行天桥主梁参数和约束条件。结果表明:跨径增大，桥梁自振频率增加，且在相同跨径条件下，自振频率随高跨比的增大逐渐增大;减小桥梁铺装层厚度，采用轻质铺装，增大梁高和采用墩梁固结的约束形式可以有效增加桥梁结构自振频率;改善桥梁结构的合理性，提高结构的安全性和行人的过桥舒适度，为同类钢结构人行天桥的设计提供工程借鉴。关键词:钢结构;人行天桥;有限元;自振频率中图分类号:U448.11文献标志码:A文章编号:10058249(2023)01011205DOI:1019860/jcnkiissn10058249202301020LI Zhuqing，QIAN uolin(Civil Engineering College，Shannxi Polytechnic Institute，Xianyang 712000，China)Abstract:The continuous acceleration of urbanization has brought new problems and challenges to the travel safety of pedestrians andnonmotor vehicles.Pedestrian overpasses are often built at urban road intersections to ensure the safe passage of pedestrians.Steelstructure pedestrian bridge is widely used because of its light weight and high strength.According to the requirements of frequency designmethod in the specification，its natural vibration fundamental frequency cannot exceed 3 Hz，which puts forward higher requirements forthe design of pedestrian bridge.Through finite element simulation analysis，the main beam parameters and constraint conditions of steelstructure pedestrian overpass are studied.The results show that the natural vibration frequency of the bridge increases with the increase ofspan，and under the same span condition，the natural vibration frequency gradually increases with the increase of heightspan ratio;educing the thickness of bridge beam pavement，adopting lightweight pavement，increasing the beam height and adopting the constraintform of pier beam consolidation can effectively increase the natural vibration frequency of the bridge structure，improve the rationality ofthe bridge structure，improve the safety of the structure and the comfort of pedestrians crossing the bridge，and provide engineeringreference for the design of similar steel structure pedestrian overpasses.Keywords:steel structure;pedestrian bridge;finite element;natural vibration frequency*基金项目:2021 年度陕西省职业技术教育学会专项课题项目(2021SZXZX018);陕西工业职业技术学院院级科研基金资助项目(2022YKYB017)。作者简介:李竹青(1995)，女，硕士，助教，研究方向:土木结构分析。通信作者:钱若霖(1993)，男，硕士，讲师，研究方向:桥梁结构分析。收稿日期:202204081 期李竹青等:钢结构人行天桥主梁参数和约束条件合理性研究113道桥技术0引言钢结构具有强度高、易加工的特点，在城市人行天桥建设中受到桥梁设计工程师的青睐。钢结构人行天桥的承载能力大，自重轻，承受的主要荷载为人群荷载，因此其受力明确，计算简便，在恒载和活载作用下，变形及内力易满足设计要求，因此在设计时一般重点考虑其动力特性12。钢结构人行天桥的自振基频值和行人过桥的舒适性相关，若与行人走步频率接近，会引起主梁产生大幅度的振动，挠度过大使行人产生不适，危及桥梁安全和城市道路的交通安全3。如何优化钢结构人行天桥的设计，满足频率设计要求，对于保障桥梁结构和行人的安全具有重要的工程意义。张恩辰4 以某简支钢结构人行天桥为例，将桥面铺装厚度和主梁一起考虑换算截面刚度，发现铺装可以改变主梁截面惯性矩，从而改善自振频率;叶涛等5 通过有限元建模研究了不同结构形式对钢结构人行天桥自振频率的影响，研究表明连续梁结构体系自振频率显著提高;张清旭等6 以某钢结构人行天桥为依托，从梁高和铺装角度提出了结构自振频率优化的方式;符斌7 通过静动载试验研究分析了钢箱梁人行天桥的受力性能，为钢箱梁人行天桥的设计和荷载试验提供了工程借鉴价值。我国 CJJ 6995 城市人行天桥与人行地道技术规范提出的频率设计法规定8:人行天桥的竖向自振频率应不小于 3 Hz，因此文章以频率分析为主线，利用软件仿真分析，选取了包括铺装、主梁参数和边界约束条件在内的几个敏感性参数，对钢结构人行天桥设计的参数合理性展开研究并提出设计优化意见，以期为同类桥梁设计提供工程借鉴意义。1频率设计法钢结构人行天桥主要活载来自于人群荷载，在人行桥梁结构设计时，人群荷载一般取 5 kN/m2，这对于钢结构材料而言，即使同时考虑自重荷载、风荷载等荷载组合条件，对结构产生的挠度和应力值也远小于允许值，具有较大的安全储备。根据桥梁的实际使用工况，正常行人的走步频率介于 1.62.4 Hz 之间9，因此在人行天桥设计时，包括我国在内的多个国家的现行规范均要求考虑人行天桥的共振问题，即避免人行天桥的自振频率处在行人步频区间内。其中，欧洲规范要求自振频率应避免落于 1.6 2.4 Hz 和 3.5 4.5 Hz内，日本规范要求自振频率应避免出现在1.52.3 Hz 内10，我国规范规定，为避免共振，提高行人的安全感，自振频率应不小于 3 Hz。综上，频率设计法是人行天桥的典型计算设计方法。对于钢结构人行天桥，在满足应力、挠度限制的基础上，通过调整钢结构梁体参数特征值和改变结构边界支撑约束条件，使桥梁结构的自振频率满足规范要求，是人行天桥设计工程师的主要理念。2有限元建模以某一字型简支钢箱梁人行天桥为例建模，天桥跨径为 23.8 m，主桥钢箱梁净宽 4.5 m，两侧栏杆各 0.15 m，全宽 4.8 m。钢箱梁材料均采用Q345 钢板，梁高为 100 cm。桥面铺装为 40 mm 厚CF40 钢纤维混凝土。采用 Midas/Civil 有限元分析软件对全桥进行建模分析，主梁和梯道模型如图 1 所示，定义自重荷载和人群荷载，并将铺装和栏杆等二期恒载施加于模型上，将荷载转化为质量以便进行自振频率计算分析。主梁一阶自振模型如图 2 所示。图 1全桥有限元模型Fig.1Finite element model of the full bridge图 2主梁一阶自振模型Fig.2Firstorder natural vibration model of main beam114粉煤灰综合利用37 卷道桥技术简支梁桥和连续梁桥的自振频率计算公式分别为:f=2l2EIcmc(1)f=13.6162l2EIcmc(2)式中:f 为自振频率;l 为跨径;Ic为惯性矩;mc为质量;E 为弹性模量。有限元数值分析结果同样是基于理论公式计算所得，由自振频率计算公式等号右边的自变量可知，质量 mc、跨径 l、弹性模量 E 和截面惯性矩 Ic对自振频率大小均有影响，由于依托工程钢结构人行天桥的材料采用 Q345 钢材，其弹性模量值为固定值，在此不做讨论，主要选取质量、截面的抗弯惯矩和桥梁跨径三个敏感性参数进行分析研究。为进一步明确基频的影响参数，考虑钢材的材料容重为常量，主梁的宽度设计又主要受人流量等设计标准的影响，因此对于公式中质量敏感性参数，主要选取桥面铺装厚度及所用材料种类进行分析;对于公式中的截面抗弯惯矩敏感性参数主要选取钢主梁高度进行分析;桥梁跨径直接做参数分析，并引入主梁高度和跨径比值这一参数，简称高跨比，进一步研究其对钢结构人行天桥基频的影响规律。3主梁参数对基频的影响3.1桥梁铺装由式(1)可知，基频大小与质量成反比，即当桥面铺装材料一致的情况下，铺装层厚度越厚，自振频率越小。当铺装层厚度一致的情况下，采用轻质铺装层材料会提高自振频率的大小。有限元模型采用 CF40 混凝土铺装材料进行建模，在此基础上分别改变铺装层厚度为 15、20、25、30、35、40 mm 进行分析，将铺装荷载转化为质量进行分析计算。为了研究不同铺装材料对自振频率的影响，统一采用 20 mm 厚度层，改变铺装层的材料特征值来模拟其他轻质铺装材料，如聚氨酯橡胶、EPDM 乙丙橡胶、陶瓷防滑颗粒、塑木以及现代化的光伏毛玻璃类型的铺装，这些新的铺装材料不仅有效改善自振频率，还大大提高了行人行走的舒适性和安全性。以聚氨酯橡胶和 EPDM 乙丙橡胶为例，计算结果见表 1。表 1不同铺装厚度和材料下结构自振频率Table 1Natural vibration frequencies of structures under differentpavement thicknesses and materials/HzCF40 混凝土聚氨酯橡胶EPDM 乙丙橡胶15 mm 20 mm 25 mm 30 mm 35 mm 40 mm20 mm20 mm3.623.533.463.413.383.354.284.31由表 1 可知，随着 CF40 混凝土铺装层厚度的不断增加，桥梁结构的自振频率呈减小趋势，厚度按 5 mm 等幅度递增，自振频率减小的幅度逐渐变小，但总体仍呈递减趋势。这是因为铺装虽然影响主梁的线单位质量，其厚度增加，质量随即增大。由式(1)和式(2)可知，自振频率应减小，与理论计算规律吻合，但由于铺装层和梁体形成共同的受力整体，增加的厚度对于受力整体而言，实际上增加了主梁的高度，对主梁的截面抗弯惯矩具有贡献作用，因此，铺装厚度虽然均匀增加，自振频率的减小幅度在逐渐变小。采用聚氨酯橡胶和乙丙橡胶材料的 20 mm 厚铺装结构，桥梁的自振频率较 CF40 混凝土铺装提升显著，由3.35 Hz 增加至 4.28 Hz 和 4.31 Hz，提升幅度达 28.7%。根据我国城市人行天桥设计规范要求自振频率应大于 3 Hz，因此在人行天桥设计时应优先选取轻质铺装材料，其次应尽量减小铺装层厚度，进而保证自振频率大于规范值且具有足够的安全储备。3.2主梁高度模型主梁跨度23.8 m，宽度4.5 m，高度1 m。在此基础上，保持跨径和梁宽为设计尺寸不变，铺装仍采用 40 mm 厚 CF40 混凝土铺装，对主梁高度进行上下扰动，建立 0.6、0.8、1、1.2、1.4 m共五种桥梁模型，分别求解其自振频率，并绘制其变化规律图，如图 3 所示。由图 3 可见，原设计参数下基准模型的自振频率为 3.35 Hz，满足规范要求不小于 3 Hz 的条件。随着主梁高度的增加，自振频率呈递增趋势。1 期李竹青等:钢结构人行天桥主梁参数和约束条件合理性研究115道桥技术图 3不同梁高对基频影响Fig.3Effect of different beam heights on fundamental frequency梁高为 0.6 m 和 0.8 m 时，自 振 频 率 分 别 为1.64 Hz和2.12 Hz，均小于3 Hz，不符合要求，这是因为主梁截面抗弯惯矩计算与梁高 h 相关，且影响显著。当梁高增加到 1.2 m 和 1.4 m 时，自振频率分别为 5.42 Hz 和 7.51 Hz，较基准模型基频提高了 61.8%和 124.2%。因此，增加梁高可以有效提高钢结构人行天桥的自振频率，在桥梁设计时可以优先考虑调整梁高参数值以改善主梁截面抗弯惯矩，增加结构自振频率，提供足够的安全保障，避免与行人走步频率接近，出现共振现象。3.3 桥梁跨径桥梁跨径为 23.8 m，控制其他材料、截面等参数不变，建立 10、20、23.8、30、40 m 跨径模型，绘制自振频率随跨径变化折线图，如图 4所示。图 4不同跨径对基频影响Fig.4Effect of different spans on fundamental frequency由图 4 可以看出，结构自振频率与桥梁跨径呈反比，且模型计算结果基本符合理论公式中跨径变化倍数的平方关系。以 10 m 跨径为例，其自振频率为 15.6 Hz，是 20 m 跨径模型自振频率4.69 Hz 的3.33 倍，基本接近于4 倍关系，但仍有误差，这是因为模型仿真存在一定建模误差，自振频率同时受支座边界条件等其他因素的影响。总体而言，跨径越大，钢结构人行天桥的自振频率越小，在桥梁设计时应结合地形合理确定跨径组合和跨径长度以满足规范大于 3 Hz 的要求，跨径设计确有难度时，可调整主梁高度和改善铺装层厚度及材料，使其符合频率设计法要求。3.4 高跨比在 3.3 小节计算模型的基础上，进一步改变每一种跨径下主梁截面的高度，控制梁高与跨径比值分别为 1/20、1/25、1/30、1/40，计算各模型自振频率值并绘制折线图，如图 5 所示。图 5高跨比对基频影响Fig.5Influence of high span ratio on fundamental frequency由图 5 可知，相同跨径条件下，自振频率随高跨比的增大逐渐增大。由规范临界值与折线交点可预估固定高跨比下的极限跨径值。如高跨比为 1/20时，极限跨径约为 42 m;高跨比为 1/25 时，极限跨径约为 25 m;高跨比为 1/30 时，极限跨径约为21 m;高跨比为 1/40 时，极限跨径约为 16 m。4约束条件对基频的影响钢结构人行天桥的边界约束条件一端采用固定支座，另一端采用活动支座，约束条件如图 6 所示。一侧固定支座约束能够有效改善主梁的刚度特性，另一侧采用活动支座能够有效释放温度应力。116粉煤灰综合利用37 卷道桥技术图 6主梁约束条件Fig.6Constraints of the main beam若将另一侧支座约束也改为固定约束条件，桥梁结构自振频率由 3.35 Hz 提高至 6.53 Hz，提升幅度达 94.9%，安全度更高，但不利于改善温度或沉降变形引起的内力作用。规范要求下，极限跨径和高度等设计参数不易修正的情况下，甚至可以考虑将一侧墩梁直接固结，将会大幅改善结构刚度以满足设计要求。5结论(1)钢结构人行天桥的一阶自振频率受主梁参数的影响，包括铺装层材料、铺装层厚度、梁高、跨径、高跨比等，可以通过采用轻质铺装、减小铺装层厚度、增加主梁高度、减小跨径、调整高跨比等方式提高桥梁基频，使其符合规范自振基频大于 3 Hz 的要求，保证桥梁结构设计偏安全，避免共振。(2)通过增加支座对主梁的约束可以达到改善提高桥梁一阶自振频率的效果，在临界条件下可以考虑将墩梁固结。参考文献 1 林海.人行天桥结构设计研究 D.成都:西南交通大学，2013.2 王旖澄.城区闹市环境下人行天桥设计与施工 J.中国市政工程，2021(4):2224+105.3 高嘉义.铝合金桁架人行天桥动力性能分析及动力设计 D.沈阳:沈阳建筑大学，2020.4 张恩辰.某简支钢结构人行天桥自振频率分析与计算 J.工程与建设，2020，34(1):100101.5 叶涛，李亚平，肖海波.钢结构人行桥自振频率影响因素及其分析 J.城市道桥与防洪，2021(2):4850+9.6 张清旭，宁晓骏，董福民，等.钢结构人行天桥自振频率优化分析 J.工业安全与环保，2020，46(3):3133.7 符斌.钢箱梁人行天桥受力性能试验分析与研究 D.南昌:华东交通大学，2020.8 CJJ 691995，城市人行天桥与人行地道技术规范 S.北京:中国建筑工业出版社，1996.9 朱利明，张志成，邢世玲，等.人行天桥的舒适度分析与TMD 减振控制 J.结构工程师，2020，36(1):6773.10 舒琳智.城市钢箱梁人行天桥结构计算分析研究 D.成都:西南交通大学，2013.(上接第 111 页)4结论从寒冷地区近零公共能耗指标要求入手，结合实际项目案例，分析了气密性对建筑能耗的影响，当建筑气密性 N501.0 h1时，气密性数值逐渐增加时，气密性对建筑能耗影响较小;当建筑气密性 N50从 1.0 h1数值逐渐增加时，气密性对建筑能耗影响较大。气密性对近零能耗公共建筑至关重要，建筑竣工后，在满足其他常规验收的基础上，还应进行气密性测试，测试结果符合N501.0 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