鋼結(jié)構(gòu)人行天橋舒適度設(shè)計(jì)及其控制研究

趙光偉

摘 要：鋼結(jié)構(gòu)天橋是寬度為6～12 m、跨度在27～40 m之間的鋼桁架結(jié)構(gòu)體系，通常采用封閉式外圍護(hù)系統(tǒng)。根據(jù)《城市人行天橋與人行地道技術(shù)規(guī)范》，人行天橋豎向自振頻率需>3 Hz，以滿足舒適度的要求，已成為鋼結(jié)構(gòu)人行天橋的主要設(shè)計(jì)控制因素。通過(guò)彈性時(shí)程分析得出的激勵(lì)荷載、橋面系的質(zhì)量比、結(jié)構(gòu)動(dòng)力時(shí)程響應(yīng)的對(duì)應(yīng)關(guān)系，分析了滿足舒適度要求的最小橋面系質(zhì)量，并以此作為結(jié)構(gòu)舒適度設(shè)計(jì)的補(bǔ)充控制指標(biāo)。

關(guān)鍵詞：鋼結(jié)構(gòu)；人行天橋；人行激勵(lì)；舒適度

中圖分類號(hào)：U441+.3 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2015.13.001

隨著我國(guó)高鐵四縱四橫骨干網(wǎng)的建成，未來(lái)高鐵發(fā)展將以大都市區(qū)市郊通勤鐵路和城市群城際鐵路為主。因此，中小型客運(yùn)站房的建設(shè)數(shù)量將越來(lái)越多，鋼結(jié)構(gòu)人行天橋作為主要的跨線設(shè)施類型將被大量采用。人行天橋在人群行走的作用下可能產(chǎn)生較大的振動(dòng)，影響行走的舒適度。而現(xiàn)行規(guī)范中的撓度限值和自振頻率限值無(wú)法很好地評(píng)價(jià)結(jié)構(gòu)振動(dòng)的舒適度。

1 結(jié)構(gòu)模態(tài)分析

為了分析人行天橋的固有動(dòng)力特性，采用MIDAS GEN建立了人行天橋的有限元模型，圖1為天橋結(jié)構(gòu)計(jì)算模型簡(jiǎn)圖，對(duì)天橋結(jié)構(gòu)進(jìn)行了模態(tài)分析。振動(dòng)質(zhì)量源為結(jié)構(gòu)構(gòu)件質(zhì)量、建筑裝修質(zhì)量和50%人群荷載質(zhì)量。

以《城市人行天橋與人行地道技術(shù)規(guī)范》中規(guī)定的人行天橋豎向自振頻率>3 Hz為舒適度設(shè)計(jì)控制指標(biāo)時(shí)，要求天橋結(jié)構(gòu)具有較大的豎向彎曲剛度，其前10階基頻和主要振動(dòng)模態(tài)如表1所示。第一階豎向振動(dòng)為人行天橋豎向彎曲振動(dòng)，振動(dòng)頻率為3.56 Hz，豎向自振頻率遠(yuǎn)離人群步行頻率。

不以豎向自振頻率>3 Hz為舒適度設(shè)計(jì)控制指標(biāo)，充分利用天橋結(jié)構(gòu)構(gòu)件的承載力，以天橋樓面的結(jié)構(gòu)動(dòng)力加速度響應(yīng)值作為舒適度設(shè)計(jì)控制指標(biāo)時(shí)，可適當(dāng)降低天橋結(jié)構(gòu)的豎向彎曲剛度，其前10階基頻和主要振動(dòng)模態(tài)如表2所示。第一階豎向振動(dòng)為人行天橋豎向彎曲振動(dòng)，振動(dòng)頻率為2.86 Hz，頻率較低且接近于人群步行頻率。

2 人行激勵(lì)振動(dòng)特性計(jì)算

3 時(shí)程分析計(jì)算結(jié)果

理論上，當(dāng)人行橋的自振頻率在人行激勵(lì)基頻（2 Hz）或高階頻率（4 Hz、6 Hz等）附近時(shí)，人行天橋就可能發(fā)生共振，但因結(jié)構(gòu)阻尼的存在，只有當(dāng)人行荷載具有足夠的能量時(shí)，共振才會(huì)真正發(fā)生。

人行荷載的能量取決于人群質(zhì)量G，即天橋上同時(shí)行走的人數(shù)，可以根據(jù)車站最大到達(dá)人數(shù)、最高聚集人數(shù)分別考慮進(jìn)站、出站人流的影響（不考慮多站臺(tái)同時(shí)作業(yè)和進(jìn)、出站人流在天橋上相遇的情況）。本文中人群質(zhì)量G根據(jù)車站最高聚集人數(shù)計(jì)算，并考慮人群密度≤1人/m2和天橋樓面面積為1 000 m2，人的質(zhì)量取為70 kg/人。人群均勻分布在天橋的樓面上，并沿天橋均勻前進(jìn)。

模型的阻尼比取0.035，對(duì)天橋結(jié)構(gòu)進(jìn)行人行荷載激勵(lì)作用下的動(dòng)力時(shí)程分析，可得到加速度響應(yīng)時(shí)間歷程曲線和位移響應(yīng)時(shí)間歷程曲線。分析結(jié)果如表3所示。

3.1 頻率限值分析

參考國(guó)外相關(guān)規(guī)范和中國(guó)《城市人行天橋與人行地道技術(shù)規(guī)范》規(guī)定的限值，對(duì)比結(jié)果詳見(jiàn)表4. 由表4可知，本算例人行天橋豎向自振頻率不滿足>3 Hz的要求，存在人行荷載激勵(lì)作用下產(chǎn)生共振的可能性。

3.2 動(dòng)力響應(yīng)限值分析

通過(guò)對(duì)天橋結(jié)構(gòu)進(jìn)行彈性時(shí)程分析，得出天橋樓面上的最大加速度響應(yīng)，從而可評(píng)估其舒適度性能，分析結(jié)果詳見(jiàn)表5.

由表5可見(jiàn)，人行天橋的加速度響應(yīng)過(guò)大，遠(yuǎn)超規(guī)范規(guī)定的限值；加速度響應(yīng)與人群密度成正比，即與人群質(zhì)量G是線性關(guān)系。在結(jié)構(gòu)剛度不變的情況下，可推導(dǎo)出滿足加速度響應(yīng)限值0.018 g的人群密度為0.125人/m2，人群與樓面的質(zhì)量比為1.675%.

4 結(jié)論

在大跨度輕柔結(jié)構(gòu)中，僅僅通過(guò)限制結(jié)構(gòu)的靜態(tài)撓度或單純限值其自振頻率，以保證人行激勵(lì)下的舒適度是不夠的。一方面，會(huì)過(guò)分加大結(jié)構(gòu)剛度，進(jìn)而耗費(fèi)大量鋼材；另一方面，無(wú)法完全保證結(jié)構(gòu)滿足舒適度指標(biāo)的要求。

結(jié)構(gòu)在人行激勵(lì)曲線作用下的振動(dòng)響應(yīng)與結(jié)構(gòu)自身振動(dòng)特性有密切關(guān)系。加速度響應(yīng)與人群質(zhì)量G是線性關(guān)系，在結(jié)構(gòu)剛度不變的情況下，人群質(zhì)量G與樓面結(jié)構(gòu)自重的比值越小，則樓面結(jié)構(gòu)的加速度響應(yīng)值越小。因此，可考慮通過(guò)增加樓面配重來(lái)降低結(jié)構(gòu)的加速度響應(yīng)，以滿足舒適度的要求。

參考文獻(xiàn)

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〔編輯：張思楠〕

Abstract： The steel structure bridge is the width of 6 ～ 12 m， span between 27 ～ 40 m steel truss structure system， usually uses a closed external enclosure system. According to the“urban pedestrian bridge and tunnel technology standard”， pedestrian bridge vertical self-vibration frequency must be > 3 Hz， to meet the comfort requirements has become steel pedestrian overcrossing of the main controlling factor of design. The elastic time history analysis drawn loads， the bridge deck system of quality ratio， structural dynamic time history response of the corresponding relationship of meet the comfort requirements of the minimum deck system quality， and thus as a supplement to comfort design of structure control index.

Key words： steel structure； pedestrian； pedestrian excitation； comfort