某大跨異形人行鋼橋設(shè)計(jì)與研究

周 晨

（華昕設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司,江蘇 無(wú)錫 214072）

0 引言

城市河流的功能不僅僅局限于供水、排澇、灌溉、航運(yùn)等，更是轉(zhuǎn)向了景觀、休閑、娛樂(lè)等多方位的都市需求，其上架設(shè)的景觀人行橋是城市交通和人文景觀的重要組成部分，既是一種實(shí)用型的市政基礎(chǔ)設(shè)施，同時(shí)又是一座立體造型的建筑藝術(shù)品，體現(xiàn)了城市的文化底色和精神內(nèi)涵。為打造藝術(shù)與美感相結(jié)合的城市橋梁，人行橋在設(shè)計(jì)過(guò)程中往往更加注重于材料新穎、結(jié)構(gòu)輕巧、空間曲線、大跨異形結(jié)構(gòu)等元素[1-2]。

該項(xiàng)目為某濱河公園跨越伯瀆河的人行橋梁。伯瀆河濱河公園以“夢(mèng)回伯瀆，七里畫(huà)廊”為設(shè)計(jì)愿景，希望通過(guò)景觀的打造，描繪出七里如畫(huà)的美好場(chǎng)景。該橋?yàn)檎麄€(gè)公園的一個(gè)重要人文景觀節(jié)點(diǎn)和連接公園南北兩側(cè)的重要交通節(jié)點(diǎn)，與北岸鳳尾建筑構(gòu)成鳳凰飛舞之形態(tài)，是伯瀆河的中心高潮點(diǎn)。通過(guò)對(duì)項(xiàng)目的功能定位與景觀總體方案研究，可知曲線、異形、輕盈貫穿了該次設(shè)計(jì)的全過(guò)程。該文以此造型需求的工程項(xiàng)目為對(duì)象，對(duì)大跨異形景觀人行橋結(jié)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計(jì)與研究。

1 工程概況

該方案取意鳳凰飛舞，橋體按S 形布置，與拱形頂棚完美結(jié)合，形成具有優(yōu)美動(dòng)感的曲線的景觀橋，實(shí)現(xiàn)了游客在橋上移步換景的觀景效果。橋梁立面布置見(jiàn)圖1。

圖1 橋型立面布置圖（mm）

橋梁全長(zhǎng)164 m，跨徑布置為40 m+70 m+48 m，橋?qū)?～6.84 m。主橋結(jié)構(gòu)型式為三跨等高變寬鋼箱梁，單箱雙室結(jié)構(gòu)，鋼梁梁高1.7 m。主橋上部設(shè)置鋼結(jié)構(gòu)頂棚，下部結(jié)構(gòu)采用V 形墩，與上部頂棚對(duì)應(yīng)設(shè)置，主墩斜腿采用鋼結(jié)構(gòu)。橋梁典型斷面布置見(jiàn)圖2。

圖2 典型斷面布置圖（mm）

2 結(jié)構(gòu)靜力分析

2.1 靜力分析

根據(jù)橋梁總體設(shè)計(jì)方案建立空間有限元模型，主梁和頂棚結(jié)構(gòu)分別采用梁?jiǎn)卧桶鍐卧M(jìn)行模擬。模型中考慮了結(jié)構(gòu)自重、填充混凝土重量、二期恒載、人群荷載、基礎(chǔ)沉降、整體升溫降溫、溫度梯度、風(fēng)荷載等作用。

橋梁施工順序模擬如下：①施工下部橋墩基礎(chǔ)及主墩斜腿墩座；②搭設(shè)臨時(shí)支墩；③吊裝并焊接鋼主梁；④安裝頂棚鋼結(jié)構(gòu)；⑤拆除施工支架，施工橋面系，安裝欄桿、亮化等設(shè)施。

2.2 計(jì)算結(jié)果

2.2.1 強(qiáng)度驗(yàn)算

使用階段主梁上緣正應(yīng)力和下緣正應(yīng)力包絡(luò)見(jiàn)圖3，頂棚頂板、底板主應(yīng)力包絡(luò)見(jiàn)圖4。

圖4 頂棚頂?shù)装逯鲬?yīng)力包絡(luò)圖（MPa）

由以上結(jié)果可知，在承載能力極限狀態(tài)基本組合下鋼梁截面上下緣最大彎曲正應(yīng)力為195.2 MPa，頂棚頂?shù)装遄畲笾鲬?yīng)力為156.5 MPa，鋼材應(yīng)力均低于Q355 鋼材的抗彎強(qiáng)度設(shè)計(jì)值280/1.1=254.5 MPa，滿(mǎn)足規(guī)范要求。

2.2.2 變形驗(yàn)算

依據(jù)《公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范》，汽車(chē)及人群荷載（不計(jì)沖擊力）引起的連續(xù)梁豎向撓度值不應(yīng)超過(guò)計(jì)算跨徑的1/500，人群荷載作用下結(jié)構(gòu)豎向撓度計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 頻遇組合下結(jié)構(gòu)豎向撓度

3 結(jié)構(gòu)動(dòng)力分析及舒適度評(píng)估

該文采用Midas Civil 對(duì)人行橋進(jìn)行結(jié)構(gòu)動(dòng)力驗(yàn)算，特征值向量分析采用Lanczos 法，將結(jié)構(gòu)自重、二期恒載轉(zhuǎn)換為質(zhì)量，不考慮橋面混凝土鋪裝對(duì)結(jié)構(gòu)剛度的影響。整體模型前四階的計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 整體模型動(dòng)力計(jì)算結(jié)果

參照《城市人行天橋與人行地道技術(shù)規(guī)范》[3]以及《建筑樓蓋結(jié)構(gòu)振動(dòng)舒適度技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》[4]對(duì)人行天橋結(jié)構(gòu)舒適度的要求，正常使用時(shí)人行橋上部結(jié)構(gòu)第一階豎向自振頻率不應(yīng)小于3 Hz，第一階橫向自振頻率不宜小于1.2 Hz；當(dāng)豎向或橫向自振頻率不滿(mǎn)足上述要求時(shí)，應(yīng)當(dāng)采取必要的防振或減振措施，確保上部結(jié)構(gòu)豎向和橫向振動(dòng)峰值加速度不超出規(guī)范限值。可以看出該橋的豎向未能滿(mǎn)足規(guī)范要求，橫向振動(dòng)頻率可滿(mǎn)足要求。隨著我國(guó)橋梁建設(shè)水平的發(fā)展和高強(qiáng)度材料、新型結(jié)構(gòu)體系的應(yīng)用，大跨度人行橋結(jié)構(gòu)亦趨于輕盈靈動(dòng)，其自振頻率已很難達(dá)到規(guī)范的舒適度指標(biāo)要求。該次參照德國(guó)人行橋設(shè)計(jì)指南（EN03）[5]，進(jìn)行人行舒適度評(píng)估，若人行振動(dòng)荷載所引起的橋梁振動(dòng)峰值加速度能滿(mǎn)足規(guī)范限值，不超出戶(hù)外人行舒適性界限，可認(rèn)為人行橋結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性滿(mǎn)足要求。規(guī)范[6]給出了人行天橋的人行振動(dòng)荷載模型，其單位面積的荷載激勵(lì)如式（1）～（3）所示。

式中，F(xiàn)b——一階荷載的幅值，對(duì)于豎向振型取值280 N；ψ——荷載折減系數(shù)；γ'——等效人群密度；d——人群密度；N——人行總?cè)藬?shù)，可取N=dA；A——橋面荷載面積；ζ——阻尼比影響系數(shù)。基于Midas Civil 動(dòng)力驗(yàn)算模型，激勵(lì)荷載考慮等效同步人群的豎向一階人行荷載，計(jì)算人行荷載作用下的上部結(jié)構(gòu)加速度響應(yīng)，從而分析其動(dòng)力性能。該次選擇多個(gè)交通級(jí)別對(duì)應(yīng)的人群密度（d=0.5、1.5 人/m2）進(jìn)行分析，人行舒適性的分析評(píng)價(jià)結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 人行荷載振動(dòng)舒適性分析

由分析結(jié)果可知，對(duì)應(yīng)設(shè)計(jì)指南[5]規(guī)定的最大交通級(jí)別（TC5）下的舒適度等級(jí)為中等，同時(shí)依據(jù)《建筑樓蓋結(jié)構(gòu)振動(dòng)舒適度技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》，參考室外“不封閉連廊”的振動(dòng)峰值加速度限值取值，豎向峰值加速度不應(yīng)大于0.5 m/s2，不能滿(mǎn)足要求，應(yīng)采取適當(dāng)?shù)恼駝?dòng)控制措施。

4 人行舒適度控制

針對(duì)人行橋振動(dòng)的特點(diǎn)，避免橋梁共振導(dǎo)致的破壞，常見(jiàn)的人行橋振動(dòng)控制措施主要有：①控制橋上人群密度，隨著交通量的增加，荷載不斷加大，人致振動(dòng)的峰值加速度也會(huì)相應(yīng)增大；②調(diào)整結(jié)構(gòu)頻率，使得橋梁自振頻率回避結(jié)構(gòu)共振敏感的頻率范圍；③被動(dòng)阻尼減振，阻尼有助于減小結(jié)構(gòu)的共振振幅，可通過(guò)提高人行橋結(jié)構(gòu)的阻尼從而減少結(jié)構(gòu)共振響應(yīng)。

通常情況下減小橋梁結(jié)構(gòu)的自重或增大結(jié)構(gòu)剛度，一定程度上可以提高上部結(jié)構(gòu)的自振頻率。該橋采用鋼結(jié)構(gòu)，通過(guò)增加主梁梁高，提高結(jié)構(gòu)剛度會(huì)對(duì)橋梁景觀造型影響較大，建議增設(shè)TMD 阻尼器來(lái)對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行減振控制。通過(guò)調(diào)整TMD 系統(tǒng)與主體結(jié)構(gòu)的質(zhì)量比、系統(tǒng)的阻尼比和剛度等參數(shù)，使其頻率與橋梁上部結(jié)構(gòu)的固有頻率相等或接近。當(dāng)主結(jié)構(gòu)受外荷載激勵(lì)產(chǎn)生振動(dòng)時(shí)，TMD 系統(tǒng)產(chǎn)生的慣性力反作用到結(jié)構(gòu)上，使的主結(jié)構(gòu)的振動(dòng)反應(yīng)衰減進(jìn)而控制振動(dòng)響應(yīng)。

選擇TMD 參數(shù)時(shí)，首先根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，確定TMD與主體結(jié)構(gòu)質(zhì)量比，得出控制主體結(jié)構(gòu)位移和加速度的TMD 頻率比和阻尼比最優(yōu)值，從而進(jìn)一步確定TMD 阻尼器的剛度和阻尼系數(shù)[7]。一般情況下，質(zhì)量越大，減振效果越顯著。但TMD 的質(zhì)量不能無(wú)限制的增大，質(zhì)量越大時(shí)其體積也會(huì)增大，安裝較困難，且會(huì)增加橋梁上部結(jié)構(gòu)的不利荷載。因此，常用的阻尼裝置質(zhì)量一般取為主體結(jié)構(gòu)振型的模態(tài)質(zhì)量1%～5%。

該次質(zhì)量比選取為5%，則TMD 質(zhì)量為3 500 kg，得到TMD剛度和阻尼系數(shù)分別為727 565 N/m和12 840 Ns/m。在進(jìn)行TMD 減振設(shè)計(jì)后，人群密度為1.5 人/m2時(shí)，全橋一階豎向振型最大豎向加速度為0.4 m/s2。減振后該橋的舒適度等級(jí)由中等變?yōu)樽罴眩Q向峰值加速度可滿(mǎn)足規(guī)范限值要求，布置TMD 對(duì)控制人行橋振動(dòng)具有積極效果。

5 結(jié)語(yǔ)

該文以大跨異形鋼結(jié)構(gòu)人行橋的設(shè)計(jì)為背景，分析了該類(lèi)型橋梁的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要點(diǎn)，并對(duì)其進(jìn)行靜力分析及動(dòng)力特性計(jì)算。該類(lèi)型橋型結(jié)構(gòu)輕巧，自振頻率往往不能滿(mǎn)足規(guī)范要求，需進(jìn)行結(jié)構(gòu)振動(dòng)舒適性評(píng)價(jià)以及相應(yīng)振動(dòng)控制措施。

針對(duì)大跨異形鋼結(jié)構(gòu)人行橋，其結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、剛度及舒適度都應(yīng)滿(mǎn)足規(guī)范要求。當(dāng)前國(guó)內(nèi)人行橋規(guī)范（CJJ 69—95）僅對(duì)結(jié)構(gòu)豎向基頻提出了要求，未涉及振動(dòng)舒適度的問(wèn)題，在進(jìn)行人致振動(dòng)舒適度分析時(shí)，人行振動(dòng)荷載及舒適度評(píng)價(jià)可參考國(guó)內(nèi)外相關(guān)規(guī)范的荷載模型及標(biāo)準(zhǔn)。此外，通過(guò)安裝TMD 可有效減小橋梁結(jié)構(gòu)在上部人群荷載作用下的動(dòng)力響應(yīng)，其結(jié)構(gòu)外形尺寸小，對(duì)橋梁景觀幾乎沒(méi)有影響，可使該橋減振后的舒適度等級(jí)達(dá)到最佳級(jí)別。