鋼箱梁與鋼桁架人行天橋力學(xué)性能對(duì)比分析★

申楊凡 續(xù)琦峰 楊 斌 王紹全 郭凱強(qiáng) 王艷琪 賈艷敏*

(東北林業(yè)大學(xué)土木學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150040)

·橋梁·隧道·

鋼箱梁與鋼桁架人行天橋力學(xué)性能對(duì)比分析★

申楊凡 續(xù)琦峰 楊 斌 王紹全 郭凱強(qiáng) 王艷琪 賈艷敏*

(東北林業(yè)大學(xué)土木學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150040)

為了分析并對(duì)比鋼箱梁與鋼桁架人行天橋的力學(xué)性能，建立了兩者的ANSYS有限元計(jì)算模型，通過(guò)靜力分析，得出鋼桁架人行天橋的承載力更大，通過(guò)動(dòng)力特性分析，鋼桁架人行天橋較鋼箱梁人行天橋更易產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)，且鋼箱梁的自振頻率較鋼桁架的自振頻率要大。

鋼箱梁，鋼桁架，人行天橋，力學(xué)性能

近年來(lái)，隨著城市交通系統(tǒng)的逐漸完善，人行天橋的建設(shè)十分迅速，我國(guó)人行天橋多以鋼箱梁和鋼桁架人行天橋?yàn)橹鱗1]，鋼箱梁人行天橋具有輕質(zhì)高強(qiáng)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、施工方便等優(yōu)勢(shì)[2]，然而鋼桁架人行天橋較鋼箱梁人行天橋的承載能力更強(qiáng)，且在結(jié)構(gòu)的施工過(guò)程中也突顯出了加工質(zhì)量易于控制、施工吊裝方便等諸多優(yōu)點(diǎn)[3]。此外，鋼桁架人行天橋的用鋼量較鋼箱梁人行天橋有較明顯的優(yōu)勢(shì)[1]，但對(duì)鋼桁架人行天橋豎向頻率的控制需要受到設(shè)計(jì)者的特別注意[4]。上述諸多研究表明鋼箱梁人行天橋與鋼桁架人行天橋具有一定的可對(duì)比性，但國(guó)內(nèi)諸多學(xué)者對(duì)兩者力學(xué)性能的對(duì)比研究中有所欠缺。

本文通過(guò)對(duì)等跨度鋼箱梁和鋼桁架人行天橋建立ANSYS有限元模型，并通過(guò)靜力分析和動(dòng)力特性分析，對(duì)比研究鋼箱梁與鋼桁架人行天橋的力學(xué)性能，所得結(jié)論可為人行天橋的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的制定提供參考依據(jù)。

1 計(jì)算模型

1.1 鋼箱梁人行天橋計(jì)算模型

鋼箱梁人行天橋單跨40 m，箱梁高度為1.1 m，橋面寬為3.3 m，所用材料為A3鋼，圖1為鋼箱梁人行天橋橫斷面，鋼箱梁的有限元模型采用Beam188單元，邊界條件按簡(jiǎn)支約束處理并對(duì)橋梁施加自重，圖2為鋼箱梁人行天橋計(jì)算模型。

1.2 鋼桁架人行天橋計(jì)算模型

鋼桁架人行天橋計(jì)算模型單跨40 m，橋面寬為3.3 m，橋面板厚度為8 mm，所用材料為A3鋼，上弦桿、下弦桿及下弦桿的橫向連接桿為300 mm×300 mm×20 mm的方鋼管，腹桿及上弦桿的橫向連接桿為φ180×12 mm圓鋼管[1]，圖3為鋼桁架人行天橋橫斷面，在鋼桁架人行天橋有限元模型中，桿件采用Beam188單元，橋面板采用Shell181單元，邊界條件按簡(jiǎn)支約束處理并施加自重，圖4為鋼桁架人行天橋計(jì)算模型。

2 靜力分析

CJJ 69—95城市人行天橋與人行地道技術(shù)規(guī)范中對(duì)梁、桁架等大跨結(jié)構(gòu)的人群荷載是根據(jù)不同加載長(zhǎng)度所規(guī)定的，經(jīng)上述規(guī)范中所給出的公式計(jì)算得人群荷載為4.1 kN/m2[5]，對(duì)鋼箱梁及鋼桁架人行天橋計(jì)算模型施加人群荷載，求解得到靜力分析數(shù)據(jù)。

2.1 鋼箱梁人行天橋靜力分析

鋼箱梁人行天橋的最大豎向撓度為21.6 mm，出現(xiàn)在跨中附近，最大彎矩、最大應(yīng)力及應(yīng)變均出現(xiàn)在跨中附近，所受最大彎矩值為60.2 kN·m，最大應(yīng)力為64 MPa，最大應(yīng)變?yōu)?.299×10-3。鋼箱梁人行天橋的最大豎向撓度與跨徑之比為1/2 286，CJJ 69—95城市人行天橋與人行地道技術(shù)規(guī)范規(guī)定，在靜力作用下，梁板式主梁的最大豎向撓度與跨徑之比要求不應(yīng)超過(guò)跨徑的1/600，其次，在結(jié)構(gòu)自重及人群荷載作用下，最大豎向撓度不超過(guò)跨徑的1/1 600時(shí)可不設(shè)預(yù)拱度[5]，根據(jù)計(jì)算結(jié)果可知，計(jì)算模型顯然滿足以上要求。

2.2 鋼桁架人行天橋靜力分析

鋼桁架人行天橋的豎向撓度為17.5 mm，出現(xiàn)在跨中附近，鋼桁架人行天橋的最大應(yīng)力、最大應(yīng)變及最大彎矩均出現(xiàn)在跨中處，最大應(yīng)變?yōu)?.297×10-3，最大應(yīng)力為63.6 MPa，最大彎矩值為43.8 kN·m。鋼桁架人行天橋的最大豎向撓度與跨徑之比為1/2 286，CJJ 69—95城市人行天橋與人行地道技術(shù)規(guī)范規(guī)定，在靜力作用下，桁架的最大豎向撓度與跨徑之比要求不應(yīng)超過(guò)跨徑的1/800，其次，在結(jié)構(gòu)自重及人群荷載作用下，最大豎向撓度不超過(guò)跨徑的1/1 600時(shí)可不設(shè)預(yù)拱度[5]，根據(jù)計(jì)算結(jié)果可知，計(jì)算模型顯然滿足以上要求。表1為鋼箱梁與鋼桁架人行天橋靜力對(duì)比分析數(shù)據(jù)。

表1 鋼箱梁與鋼桁架人行天橋靜力對(duì)比分析數(shù)據(jù)

2.3 鋼箱梁與鋼桁架人行天橋靜力對(duì)比分析

由表1可知，鋼箱梁與鋼桁架人行天橋所受最大應(yīng)力及應(yīng)變幾乎相同，而且產(chǎn)生的位置均為跨中附近，而兩者所產(chǎn)生的最大豎向撓度之比為1∶0.81，兩者均在跨中產(chǎn)生最大豎向撓度，鋼桁架人行天橋的最大彎矩是鋼箱梁人行天橋的1.37倍。因此，在靜力作用下，鋼桁架人行天橋的承載力更大。

3 動(dòng)力特性分析

通過(guò)對(duì)鋼箱梁和鋼桁架人行天橋分別進(jìn)行動(dòng)力特性分析，得出鋼箱梁和鋼桁架人行天橋的動(dòng)力特性，表2和表3分別為鋼箱梁和鋼桁架人行天橋的自振頻率及振型特點(diǎn)，圖5和圖6分別為鋼箱梁和鋼桁架人行天橋的前5階振型圖。

3.1 鋼箱梁人行天橋動(dòng)力特性分析

根據(jù)表2可知，鋼箱梁人行天橋的第一階自振頻率為4.754，CJJ 69—95城市人行天橋與人行地道技術(shù)規(guī)范規(guī)定人行天橋上部結(jié)構(gòu)的豎向自振頻率不小于3 Hz[5]，該橋梁結(jié)構(gòu)顯然滿足規(guī)范要求。經(jīng)動(dòng)力特性分析可知，隨著振型階數(shù)的增大，鋼箱梁人行天橋的自振頻率逐漸增大，增大幅度先快后慢再變快，振型圖隨著頻率的增大，振動(dòng)特點(diǎn)按照一定的規(guī)律發(fā)生變化，依次出現(xiàn)對(duì)稱豎向彎曲、S型豎向彎曲、對(duì)稱橫向彎曲，一階對(duì)稱豎彎過(guò)后，下一階的振型便是二階對(duì)稱豎向彎曲。

表2 鋼箱梁人行天橋的自振頻率及振型特點(diǎn)

表3 鋼桁架人行天橋的自振頻率及振型特點(diǎn)

3.2 鋼桁架人行天橋動(dòng)力特性分析

根據(jù)表3可知，鋼桁架人行天橋的第一階自振頻率為4.654，CJJ 69—95城市人行天橋與人行地道技術(shù)規(guī)范規(guī)定人行天橋上部結(jié)構(gòu)的豎向自振頻率不小于3 Hz[5]，該橋梁結(jié)構(gòu)顯然滿足規(guī)范要求。經(jīng)動(dòng)力特性分析可知，隨著振型階數(shù)的增大，鋼桁架人行天橋的自振頻率逐漸增大，增大幅度較為平緩，振型圖隨著頻率的增大，振動(dòng)特點(diǎn)按照一定的規(guī)律發(fā)生變化，先發(fā)生扭轉(zhuǎn)再發(fā)生彎曲，振型的階數(shù)逐漸上升，彎曲依次為豎向彎曲、橫向彎曲，鋼桁架人行天橋的扭轉(zhuǎn)是上弦桿相對(duì)于橋面板的相對(duì)位移所產(chǎn)生的，橋面板與上弦桿之間無(wú)明顯的相對(duì)位移時(shí)，整橋的振型主要以豎向或橫向彎曲為主。圖7為鋼箱梁和鋼桁架人行天橋自振頻率變化的擬合曲線。

3.3 鋼箱梁與鋼桁架人行天橋動(dòng)力特性對(duì)比分析

根據(jù)圖7可以十分明顯的看出，鋼箱梁人行天橋的第一階頻率與鋼桁架人行天橋的第一階頻率十分接近，而鋼箱梁人行天橋的自振頻率及頻率增長(zhǎng)幅度均比鋼桁架人行天橋大；其次，通過(guò)振型圖的振動(dòng)特點(diǎn)分析可知，鋼桁架人行天橋較鋼箱梁人行天橋更易發(fā)生扭轉(zhuǎn)，這是因?yàn)殇撹旒苋诵刑鞓虻臉蛎姘宓暮穸刃。敲聪鄳?yīng)的抗扭剛度就不夠，發(fā)生扭轉(zhuǎn)的可能性就隨之升高，而對(duì)于鋼箱梁人行天橋而言，鋼箱梁人行天橋的截面抗扭剛度較鋼桁架人行天橋大，鋼箱梁的橫隔板充分發(fā)揮了增加截面抗扭剛度的作用。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)鋼箱梁人行天橋和鋼桁架人行天橋所進(jìn)行的靜力、動(dòng)力分析，對(duì)比兩者各方面力學(xué)性能的優(yōu)缺點(diǎn)可以得出以下幾點(diǎn)結(jié)論：

1)在靜力作用下，鋼桁架人行天橋的最大彎矩是鋼箱梁人行天橋的1.37倍，所產(chǎn)生的最大豎向撓度更小。因此，在靜力作用下，鋼桁架人行天橋的承載力更大。

2)在動(dòng)力特性分析中，鋼箱梁人行天橋的自振頻率比鋼桁架人行天橋高，但兩者的第一階頻率十分接近，而隨著階數(shù)的增長(zhǎng)，兩者的差值也隨之增大。

3)在分析兩者的振型圖時(shí)，顯然會(huì)發(fā)現(xiàn)鋼桁架人行天橋的扭轉(zhuǎn)出現(xiàn)的十分頻繁，且在第一階振型圖中就出現(xiàn)了扭轉(zhuǎn)，然而鋼箱梁人行天橋在前5階振型圖中都未出現(xiàn)扭轉(zhuǎn)。

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Pedestrian bridge steel box girder with steel truss mechanics performance comparison and analysis★

Shen Yangfan Xu Qifeng Yang Bin Wang Shaoquan Guo Kaiqiang Wang Yanqi Jia Yanmin*

(SchoolofCivilEngi.,NortheastForestryUniv.,Harbin150040,China)

In order to analyze and contrast the steel box girder and steel truss pedestrian bridge mechanical properties, the ANSYS finite element calculation model is established, by static analysis, we can draw the steel truss of pedestrian bridge bearing capacity is larger, through the analysis of the dynamic characteristics of the pedestrian steel truss bridge with steel box girder footbridge reverse easier to be produced, and the natural frequency of vibration of the steel box girders for bigger than the natural frequency of vibration of steel truss.

steel box girder, steel truss, pedestrian bridge, mechanical properties

2015-02-08★：國(guó)家大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目(項(xiàng)目編號(hào)：201410225041)

申楊凡(1993- )，男，在讀本科生； 續(xù)琦峰(1994- )，男，在讀本科生； 楊 斌(1993- )，男，在讀本科生； 王紹全(1993- )，男，在讀本科生； 郭凱強(qiáng)(1992- )，男，在讀本科生； 王艷琪(1992- )，男，在讀本科生

賈艷敏(1962- )，女，博士，博士生導(dǎo)師，教授

1009-6825(2015)12-0172-03

U441

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