郭俊峰,萬(wàn) 送
(武漢市政工程設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司 武漢市 430023)
人行天橋是城市市政道路工程的重要組成部分,一般都位于人口較為密集的市區(qū),隨著城市的發(fā)展,人行天橋在解決行人過(guò)街需求、保障行人安全的同時(shí),其舒適性、功能性、美學(xué)性能等也有了越來(lái)越高的要求。斜拉橋造型現(xiàn)代、簡(jiǎn)約時(shí)尚,能提升視覺(jué)高度,且跨越能力強(qiáng),因此在人行天橋中的應(yīng)用也越來(lái)越多。斜拉人行橋主要由梁、塔、索共同組成,形式復(fù)雜、結(jié)構(gòu)輕柔、纖細(xì),它們之間的相互作用呈現(xiàn)出明顯的空間振動(dòng)特性[1]。20世紀(jì)70年代以來(lái),國(guó)外對(duì)橋梁豎向人行激勵(lì)振動(dòng)的安全性和使用性制定了規(guī)范,而國(guó)內(nèi)規(guī)范則以靜力等效問(wèn)題來(lái)考慮,顯然有所不妥,因此人行橋振動(dòng)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)參考相應(yīng)國(guó)外規(guī)范進(jìn)行驗(yàn)算[2-4]。以武漢市某斜拉人行天橋?yàn)橐劳?,采用MIDAS CIVIL有限元分析軟件,對(duì)結(jié)構(gòu)靜力、動(dòng)力特性及舒適性評(píng)價(jià)進(jìn)行分析,為類似工程設(shè)計(jì)提供參考。
斜拉人行橋位于武漢市東湖高新區(qū),連接某企業(yè)生產(chǎn)廠區(qū)與員工宿舍,為城市專用人行橋。天橋平面呈“T”字型,橫跨市政道路,設(shè)計(jì)采用傾斜型雙塔鋼結(jié)構(gòu)斜拉橋,主橋總長(zhǎng)約174.75m,計(jì)算跨徑為(38+81+48.17)m,結(jié)構(gòu)總寬7m,人行道凈寬5.6m。主梁為空間變高連續(xù)桁架鋼結(jié)構(gòu),主塔為傾斜型框架鋼結(jié)構(gòu),采用平行鋼絲斜拉索,橋墩為柱式墩,基礎(chǔ)為鉆孔灌注樁。天橋兩端各設(shè)置兩處提刀,焊接于主梁,梯道橫截面寬度為4.3m,行人通行凈寬3.0m。
主跨跨中中心桁高為5m,中支點(diǎn)處桁高為7.5m,梁端桁高為4m。下弦桿及橋面采用整體箱梁?jiǎn)尉€四室。主桁上弦節(jié)點(diǎn)處設(shè)置橫撐。橋塔采用A型塔,由6根塔柱按空間傾斜組合而成,在頂部合成一個(gè)整體箱型截面,箱梁中間開(kāi)孔,橋塔總高度為30m。全橋共6對(duì)斜拉索,空間雙索面體系,扇形布置。斜拉索錨固采用錨拉板形式,在主梁上弦桿及橋塔設(shè)置耳板。
天橋橋型、標(biāo)準(zhǔn)橫斷面及主塔構(gòu)造見(jiàn)圖1~圖3。
圖1 橋型布置圖(單位:m)
圖2 標(biāo)準(zhǔn)橫斷面圖(單位:cm)
圖3 主塔構(gòu)造圖(單位:cm)
借助有限元軟件MIDAS CIVIL 2019建立全橋有限元模型進(jìn)行受力分析。主梁、主塔、橋墩和承臺(tái)均采用空間梁?jiǎn)卧M,拉索采用桁架單元模擬,模型總計(jì)187個(gè)節(jié)點(diǎn)和280個(gè)單元。有限元模型如圖4。
圖4 全橋有限元模型
(1)變形、剛度
根據(jù)規(guī)范斜拉橋主梁豎向撓度限制為L(zhǎng)/400即202.5mm,由表1可知,人群荷載作用下,主梁的撓度遠(yuǎn)小于規(guī)范規(guī)定,滿足規(guī)范要求。
表1 構(gòu)件位移計(jì)算結(jié)果
(2)主梁強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果
由表2可知,標(biāo)準(zhǔn)組合下,主梁主塔的應(yīng)力都滿足規(guī)范要求。
斜拉索鋼絲采用屈服強(qiáng)度為1670MPa的高強(qiáng)度鍍鋅平行鋼絲,規(guī)格為PES(C)7-37,破斷力約為2378kN。斜拉索運(yùn)營(yíng)階段拉索力如圖5所示。
表2 構(gòu)件應(yīng)力計(jì)算結(jié)果
圖5 標(biāo)準(zhǔn)組合下斜拉索應(yīng)力(單位:kN)
由圖5可知,斜拉索運(yùn)營(yíng)階段最大索力值為641.6kN,運(yùn)營(yíng)狀態(tài)下斜拉索的安全系數(shù)為2378/641.6=3.7,根據(jù)規(guī)范[5]要求,安全系數(shù)不應(yīng)小于2.5,故本項(xiàng)目斜拉索設(shè)計(jì)滿足規(guī)范要求。
橋塔為雙向壓彎構(gòu)件,長(zhǎng)細(xì)比大,受力復(fù)雜,因此需對(duì)其穩(wěn)定性進(jìn)行驗(yàn)算。
單獨(dú)建立橋塔模型,在恒載及活載作用下進(jìn)行成橋狀態(tài)屈曲分析,以全橋模型成橋狀態(tài)下索力作為主塔外荷載,計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3。
表3 主塔屈曲模態(tài)特征值
由表3可知,主塔第1階屈曲模態(tài)特征值為212,第2階為328,分別表現(xiàn)為主塔縱橋向和橫橋向側(cè)彎,說(shuō)明主塔的橫橋向抗彎剛度比縱橋向大,不容易失穩(wěn);主塔的失穩(wěn)模態(tài)特征值數(shù)值較大,成橋狀態(tài)下主塔結(jié)構(gòu)不容易發(fā)生整體失穩(wěn)。
3.3.1模態(tài)分析
采用多重Ritz向量法對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行動(dòng)力特性分析,本橋主要振型如圖6所示,其對(duì)應(yīng)頻率及周期見(jiàn)表4。
圖6 主橋振型圖
表4 模態(tài)分析參數(shù)表
由圖6可見(jiàn),本橋第一階橫向自振頻率為1.6Hz,國(guó)內(nèi)規(guī)范未對(duì)橫向自振頻率限制[5-7];第一階豎向自振頻率為2.96Hz,小于規(guī)范[7]要求的3.0Hz。
國(guó)內(nèi)規(guī)范僅對(duì)豎向自振頻率要求大于3.0Hz。而歐洲規(guī)范則規(guī)定一階豎向振型應(yīng)小于1.6Hz或大于2.4Hz,且二階豎向振型小于3.2Hz或大于4.8Hz;一階橫向振型小于0.8Hz或大于1.2Hz,且二階橫向振型小于1.6或大于2.4Hz。本項(xiàng)目若參考?xì)W洲規(guī)范,豎向、橫向自振頻率均滿足要求。
3.3.2人致激勵(lì)分析理論
由于行人在橋上行走時(shí),重心會(huì)上下起伏對(duì)橋面產(chǎn)生豎向動(dòng)力荷載,且具有一定的周期性,從而產(chǎn)生特殊的人致激勵(lì)振動(dòng)。
人行激勵(lì)振動(dòng)帶來(lái)的是橋梁適用性問(wèn)題,但我國(guó)人行橋規(guī)范年代久遠(yuǎn),僅對(duì)結(jié)構(gòu)基頻提出要求,未明確提出考慮人致激勵(lì)振動(dòng)的舒適度要求[5],因此這里參考德國(guó)規(guī)范,采用結(jié)構(gòu)振動(dòng)響應(yīng)峰值加速度作為舒適度評(píng)價(jià)指標(biāo)。
文獻(xiàn)[8]中提出,人行橋設(shè)計(jì)的敏感頻率范圍為:一階豎向振型范圍為1.6~2.4Hz和二階豎向振型范圍為3.2~4.8Hz,一階橫向振型為0.8~1.2Hz和二階橫向振型為1.6~2.4Hz,結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)盡量避免橋梁基頻處于此區(qū)間內(nèi)。若頻率落在此敏感范圍,則需要采用動(dòng)力響應(yīng)法進(jìn)行舒適度分析。文獻(xiàn)[8]建議采用人行荷載計(jì)算公式進(jìn)行分析。
(1)
(2)
式中:fpv(t)為人行荷載豎向力;fpl(t)為人行荷載橫向力;f0為人行橋豎向振動(dòng)固有頻率;t為時(shí)間;其中的動(dòng)載因子0.36、0.13、0.033、0.009為相關(guān)實(shí)驗(yàn)結(jié)果。
舒適度標(biāo)準(zhǔn)采用德國(guó)規(guī)范,舒適度等級(jí)表見(jiàn)表5,人行橋自振頻率f0的敏感范圍為:
對(duì)于垂直和縱向振動(dòng)1.25Hz≤f0≤2.3Hz
橫向振動(dòng)0.5Hz≤f0≤2.3Hz
表5 行人舒適度等級(jí)表
3.3.3人致激勵(lì)分析
pv(t)=Pcos(2πf0t)φn′=7.35cos(5.94πt)
式中:P為單個(gè)行人以f0步頻行走時(shí)產(chǎn)生的力,根據(jù)規(guī)范取280;n′為行人流等效人數(shù);φ為考慮步頻接近基頻的概率折減系數(shù)。
由于德國(guó)規(guī)范中規(guī)定,一階基頻只在1.25~2.3Hz區(qū)間存在折減,本橋一階基頻為2.96Hz不在此區(qū)間,因此這里采用《建筑振動(dòng)荷載標(biāo)準(zhǔn)》中,當(dāng)結(jié)構(gòu)基頻范圍為2.25~4.2Hz區(qū)間時(shí)荷載折減系數(shù)φ取0.25。
豎向人行流荷載作用下的時(shí)程分析計(jì)算結(jié)果如圖7所示。
圖7 豎向荷載作用下人行橋的動(dòng)力響應(yīng)
由圖7可知,本橋豎向加速度最大值為0.18m/s2,本橋豎向加速度滿足CL1級(jí)最大限度舒適度等級(jí)。因此,本橋在人群步行荷載作用下,人致振動(dòng)滿足舒適性要求。
通過(guò)MIDAS對(duì)某主跨81m雙塔斜拉人行橋力學(xué)性能進(jìn)行分析計(jì)算,結(jié)論如下:
(1)本橋主梁、主塔及斜拉索在成橋和運(yùn)營(yíng)階段下,承載力滿足設(shè)計(jì)規(guī)范要求,且主塔穩(wěn)定性滿足設(shè)計(jì)規(guī)范要求。
(2)通過(guò)動(dòng)力分析,本橋雖然結(jié)構(gòu)復(fù)雜、柔性大,自振頻率不滿足國(guó)內(nèi)現(xiàn)行設(shè)計(jì)規(guī)范要求,但采用人致激勵(lì)振動(dòng)舒適性分析,表明本橋能較好地回避人行荷載引起的振動(dòng),橋梁舒適性滿足要求。
(3)相較于歐洲規(guī)范,國(guó)內(nèi)規(guī)范趨于保守,且未對(duì)橫向自振頻率有所限制,本橋設(shè)計(jì)加速度遠(yuǎn)小于歐洲舒適度規(guī)范限值。
綜上所述,本橋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理,可為類似大跨度人行天橋提供一定設(shè)計(jì)參考及借鑒。