人行懸索橋的舒適度分析

楊 光

(大連市市政設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司，遼寧 大連 116000)

人行懸索橋的舒適度分析

楊 光

(大連市市政設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司，遼寧 大連 116000)

對目前國內(nèi)外人行橋的振動舒適度標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了分析討論，選取國際標(biāo)準(zhǔn)化組織ISO規(guī)范作為標(biāo)準(zhǔn)，對人行懸索橋進(jìn)行人致振動的動力時程分析，并對人行懸索橋的舒適度做出評價。

人行橋，人致振動，動力分析，振動舒適度

世界上最古老的橋梁結(jié)構(gòu)是獨(dú)木人行橋，人走在上邊就像扁擔(dān)一樣上下擺動，這就是人類最早感知的橋梁人致振動。我國現(xiàn)有規(guī)范關(guān)于人致振動的要求，一是通過限制結(jié)構(gòu)的靜力撓度，二是控制結(jié)構(gòu)豎向基頻。根據(jù)CJJ 69—95城市人行天橋與人行地道技術(shù)規(guī)范中第2.5.4條規(guī)定，人行天橋上部結(jié)構(gòu)的豎向一階自振頻率不應(yīng)小于3 Hz。懸索橋具有跨度大，結(jié)構(gòu)輕，剛度柔和阻尼小的特點(diǎn)，其自振周期較長，頻率較低，因此人行懸索橋很難滿足我國規(guī)范要求，而且我國規(guī)范也沒有考慮側(cè)向振動問題，并且我國規(guī)范也沒有關(guān)于人行結(jié)構(gòu)的振動特性與行人舒適度之間的相互關(guān)系的條文或說明。

本文對人行舒適度的國內(nèi)外現(xiàn)有規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了比較研究，選取國際標(biāo)準(zhǔn)化組織ISO規(guī)范作為標(biāo)準(zhǔn)，對人行懸索橋進(jìn)行人致振動分析，并對其舒適度作出評價。

1 現(xiàn)有人行橋舒適度的規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)

對于人行橋來說，影響行人振動舒適度的因素有很多，主要有兩個方面，一是結(jié)構(gòu)自身的振動特性包括振動方向、振動頻率、振動響應(yīng)幅度，二是行人激勵狀態(tài)包括行人密度、重量、分布的區(qū)域、行走的速度、方向等等因素均會對行人的舒適性產(chǎn)生影響，而我國規(guī)范僅要求豎向振動頻率不小于3 Hz顯然是不合理的。而且在倫敦千禧橋震動事件發(fā)生之前，人們對人行橋的側(cè)向振動及側(cè)向舒適度的考慮還很不周全。

自從2000年以來，人們致力于人行橋的人致振動研究，并取得很大進(jìn)展：分別于2002年、2005年和2008年召開了3次人行橋振動的國際會議，得出大量有價值的研究論文；歐洲法、德等國相繼推出或修訂了人行橋設(shè)計(jì)的相關(guān)規(guī)范。經(jīng)過這些年的工程實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，橋梁界的設(shè)計(jì)師已經(jīng)意識到：大跨度的人行橋必須保證其動力使用性能，特別是橫橋向的動力穩(wěn)定性，分析方式采用人行激勵的動力時程分析。

2 秀水橋舒適度分析

秀水橋?yàn)橹骺?0 m的人行懸索橋，橋跨布置為25+80+25=130 m，人行道凈寬4 m。主纜跨度為80 m，垂度為8.8 m，垂跨比1/9.09，采用空間雙索面。橋塔為混凝土結(jié)構(gòu)，加勁梁采用鋼板梁。由于懸索橋自身結(jié)構(gòu)體系特性，其基頻很難滿足我國規(guī)范自振頻率不應(yīng)小于3 Hz的要求。同時大跨柔性結(jié)構(gòu)的橫向振動問題日益突出，有必要對秀水橋的舒適度進(jìn)行分析，并作出評價。

本文選取國際標(biāo)準(zhǔn)化組織ISO規(guī)范作為標(biāo)準(zhǔn)。

1)單個行人的荷載標(biāo)準(zhǔn)。

按照國際標(biāo)準(zhǔn)化組織ISO規(guī)范中第10137條規(guī)定，單個行人的荷載模型采用周期性模式，該行人的重量標(biāo)準(zhǔn)值采用750 N，單個行人的豎向荷載標(biāo)準(zhǔn)值為：

Fpv(t)=0.4×750sin(2πfp.vt)

(1)

單個行人的側(cè)向荷載標(biāo)準(zhǔn)值為:

Fpv(t)=0.1×750sin(2πfp.ht)

(2)

式(1)、式(2)中，fp.v，fp.h分別為行人的豎向步頻和側(cè)向步頻，當(dāng)行人步頻與結(jié)構(gòu)基頻一致時，結(jié)構(gòu)產(chǎn)生共振，因此規(guī)范中偏保守地取用人行天橋的一階豎彎自振頻率和一階側(cè)彎自振頻率。

2)人群的荷載標(biāo)準(zhǔn)。

國際標(biāo)準(zhǔn)化組織ISO規(guī)范對于人群荷載同樣采用周期性荷載模式，人群重量標(biāo)準(zhǔn)值為N與單人重量標(biāo)準(zhǔn)值的乘積。考慮到橋上人群行走時步伐的不一致性，人群行走引起的振動效應(yīng)有一部分會相互抵消，因此規(guī)范通過非一致調(diào)整系數(shù)C(N)來考慮人群行走時步伐不一致對結(jié)構(gòu)振動響應(yīng)的影響，調(diào)整系數(shù)為:

(3)

其中，N為人群數(shù)量，可以由下式得出:

N=B×L×S

(4)

其中，B為人行橋的有效凈寬度；L為人行橋有效計(jì)算跨徑；S為每平方米人的數(shù)量，其取值為0.1人/m2～0.15人/m2。

人群作用的豎向荷載模型標(biāo)準(zhǔn)值為：

(5)

人群作用的側(cè)向荷載模型標(biāo)準(zhǔn)值為：

(6)

國際標(biāo)準(zhǔn)化組織ISO規(guī)范采用式(5)和式(6)作為人群激勵作用的豎向和側(cè)向荷載模型，假定人行走時每步約邁出0.75 m，則人群激勵以集中力的形式，按照0.75fp.v的速度在天橋上從一端走到另一端。

3)舒適度指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)。

國際標(biāo)準(zhǔn)化組織ISO規(guī)范第10137條給出了運(yùn)動過程的行人滿足振動舒適度的臨界曲線，當(dāng)結(jié)構(gòu)人行激勵的響應(yīng)振動加速度有效值在圖1中實(shí)線以下時則認(rèn)為該結(jié)構(gòu)滿足行人舒適度的要求。

4)秀水橋人致振動分析及舒適度評價。

對秀水橋進(jìn)行動力特性分析，其一階豎向頻率fp.v=1.42 Hz，一階橫向頻率fp.v=1.04 Hz。模態(tài)圖如圖2，圖3所示。

秀水橋計(jì)算跨徑為80 m，寬度4 m，人群密度取值人群荷載0.15 人/m2，則N=B×L×S=80×4×0.15=48。人行激勵荷載值列于表1。

表1 人行荷載等效工況表

對秀水橋采用移動荷載時程分析，計(jì)算隨時間變化的加速度曲線如圖4～圖7所示。

表2 秀水橋人致振動分析結(jié)果表

參照規(guī)范設(shè)計(jì)工況天橋動力響應(yīng)—跨中加速度極值cm/s2天橋動力響應(yīng)—跨中加速度均方根值cm/s2規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)alim限值cm/s2是否滿足舒適度國際標(biāo)準(zhǔn)化ISO規(guī)范114．3410．1351滿足20．220．1530滿足370．6949．9751滿足40．430．3530滿足

各工況加速度值列于表2，可以看出在單人激勵下，無論豎向還是橫向，橋梁結(jié)構(gòu)振動反應(yīng)較小。在人群激勵下，橋梁結(jié)構(gòu)橫向加速度較小，而豎向加速度接近限值。應(yīng)加強(qiáng)秀水橋的人流量監(jiān)測，對節(jié)假日可能出現(xiàn)的人流高峰加以控制疏導(dǎo)，必要時可考慮設(shè)置阻尼器來改善結(jié)構(gòu)動力響應(yīng)及人行舒適度。

3 結(jié)論與展望

懸索橋作為大跨柔性體系，其頻率較低，把結(jié)構(gòu)基頻作為控制條件，不僅無法滿足，也不合理，必須要進(jìn)行人致振動分析和舒適度評價。

1)秀水橋主纜采用空間雙索面結(jié)構(gòu)體系，具有一定的橫向剛度。因此秀水橋的橫向振動響應(yīng)非常小。2)人行荷載的動力特性實(shí)驗(yàn)研究?，F(xiàn)有研究數(shù)據(jù)主要是依據(jù)西方人種的測量結(jié)果，急需針對我國人行步荷載調(diào)查研究，以確定適用于我國國情的人行荷載數(shù)學(xué)模型。3)行人的人行激勵模型。在人行激勵的研究中，有大量的隨機(jī)性，因此采取了大量的假定。這些假定與橋梁運(yùn)營中的實(shí)際情況有很大的不一致性。

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Comfort analysis of pedestrian suspension bridge

Yang Guang

(DalianMunicipalDesign&ResearchInstituteCo.,Ltd,Dalian116000,China)

Analyzed and discussed the vibration comfort standards of inside and outside footbridge at home and abroad currently. Select the ISO as the standard, make dynamic analysis of pedestrian suspension bridge by pedestrian-induced vibration and make evaluation of comfort.

footbridge, pedestrian-induced vibration, dynamic analysis, vibration comfort

1009-6825(2015)07-0178-02

2014-12-30

楊 光(1981- )，男，碩士，工程師

U448.25

A