某人行天橋的動力特性測試與分析

張鵬梁

(總參謀部管理保障部，北京 100082)

近年來，隨著我國城市交通日趨發(fā)達(dá)，為提高城市路網(wǎng)的通行能力、確保行人過街安全、方便，城市人行過街設(shè)施的建設(shè)日益增多，其中主要的就是人行天橋的建設(shè)。城市人行天橋的建設(shè)對實現(xiàn)人車分流、提高機動車通行能力、改善交通管理狀況、保障行人安全等有良好的交通和社會效益，同時，相比傳統(tǒng)的車行立交橋，人行天橋投資少、收益大，更易獲得較好的景觀效果，因而越來越受到城市建設(shè)部門的重視。然而隨著人行天橋建設(shè)量不斷增加，人行天橋出現(xiàn)質(zhì)量和設(shè)計問題屢見不鮮，往往造成維修和改造浪費大量經(jīng)費，嚴(yán)重的還會造成人員傷亡，因此人行天橋的安全性和舒適性也越來越受到人們的關(guān)注。本文以某人行天橋為對象，對其動力特性進行了測試與分析，對人行天橋的設(shè)計、施工、使用和維護具有參考價值。

1 人行天橋概況

某人行天橋，為某小學(xué)擴建工程的配套工程，用以連接新校區(qū)三層樓面和老校區(qū)操場，便于師生往來于新老校區(qū)之間。該人行天橋為單跨鋼結(jié)構(gòu)簡支梁橋，全長為30.89 m，凈跨長度為27.5 m，全寬為4.2 m，凈寬為4.0 m，橋下凈高為5.0 m。梁部為等截面鋼箱梁，由鋼板焊接組合而成，梁高0.9 m，箱梁頂寬4.2 m，底寬2.1 m，頂板、底板、腹板和墩頂加密橫隔板采用Q345qc鋼，其余部位均采用Q235qc鋼。設(shè)計荷載為人群荷載4.0 kN/m2，地震動峰值加速度為0.05g。使用過程中，有老師、學(xué)生和家長反映該人行天橋在正常使用過程中振動感比較明顯。

2 動力特性測試

2.1 測點布置

在動力荷載現(xiàn)場試驗測試中，使用2個 DH-105(單向)和1個YD25(X/Y/Z三向)傳感器，利用502膠直接粘結(jié)橋面中央位置處，測量各荷載工況下橋面的豎向和橫向加速度響應(yīng)，共計5個測點，分別位于1/4跨點、1/2跨點和3/4跨點的橋面中央。各測點布置及編號如圖1所示。

圖1 測點布置圖

2.2 荷載工況

針對該橋存在振感較大的問題，采用脈動法(環(huán)境激勵)和強迫振動法(行走、跳躍激勵)對該橋進行動力特性現(xiàn)場測試。脈動法采用橋面無人通行情況下的車流環(huán)境激勵，強迫振動法以一個人在跨中區(qū)域橋面的跳躍，單人和雙人以正常速度行走通過橋面作為激勵。測試工況見表1。

表1 橋面振動測試荷載工況

2.3 測試結(jié)果

2.3.1 加速度時程及頻譜結(jié)構(gòu)

圖2給出了利用通行車流的環(huán)境激勵下，橋面跨中豎向加速度響應(yīng)時程及其頻譜結(jié)構(gòu)?？梢钥吹?，在環(huán)境激勵下橋面豎向振動響應(yīng)主要以一階振型和二階振型為主。

圖2 環(huán)境激勵下跨中加速度響應(yīng)及頻譜

圖3 單人行走激勵下跨中加速度響應(yīng)及頻譜

圖3給出了單人以正常速度行走通過橋面激勵下，橋面跨中豎向加速度響應(yīng)時程及其頻譜結(jié)構(gòu)?？梢钥吹剑趩稳诵凶呒钕聵蛎尕Q向振動響應(yīng)主要以一階振型和二階振型為主。

圖4給出了雙人以正常速度行走通過橋面激勵下，橋面跨中豎向加速度響應(yīng)時程及其頻譜結(jié)構(gòu)?？梢钥吹?，在雙人行走激勵下橋面豎向振動響應(yīng)主要以一階振型和二階振型為主。

圖4 雙人行走激勵下跨中加速度響應(yīng)及頻譜

圖5給出了單人在跨中區(qū)域橋面跳躍激勵下，橋面跨中豎向加速度響應(yīng)時程及其頻譜結(jié)構(gòu)?？梢钥吹?，在跳躍激勵下橋面豎向振動響應(yīng)主要以一階振型為主。

圖5 跳躍激勵下跨中測點加速度響應(yīng)及頻譜

2.3.2 箱梁的自振頻率

數(shù)據(jù)分析采用較大重疊率和較多的平均次數(shù)以改善信號頻譜分析的精度，對各荷載工況激勵下各測點加速度響應(yīng)的模態(tài)進行辨識，表2給出橋體箱梁的自振頻率實測值。綜合各荷載工況下的振動響應(yīng)頻譜結(jié)構(gòu)容易看出，橋體箱梁的豎向振動主要是以一階振型和二階振型為主。

表2 橋體箱梁自振頻率 Hz

2.3.3 橋面最大加速度

人行天橋的頻率問題與行人舒適度有密切關(guān)系。但是實際上，對頻率的要求是以加速度限值為基礎(chǔ)的，在各荷載工況激勵下橋面最大加速度實測值如表3所示，可以看到，橋體箱梁在單人行走激勵、雙人行走激勵和跳躍激勵的荷載工況中，測得的橋面最大加速度峰值均較大地超過人體感覺舒適度的要求，因此橋面振感明顯。

表3 橋面最大加速度 m/s2

3 結(jié)果分析

1)該人行天橋的振動主要為豎向振動，以一階振型和二階振型為主，扭轉(zhuǎn)振動不明顯。人行天橋橋體箱梁的一階豎向自振頻率實測值為3.418 Hz，雖滿足CJJ 69-95城市人行天橋與人行地道技術(shù)規(guī)范第2.5.4條“為避免共振，減小行人不安全感，天橋上部結(jié)構(gòu)豎向自振頻率不應(yīng)小于3 Hz”的要求，但提示出該橋在豎向平面內(nèi)剛度冗余度較小。2)在橋面無人跑步行進，且步行行人不多的條件下，測得單人行走激勵下的橋面最大加速度幅值為0.891 m/s2，該值超過了人體感覺舒適度的要求，橋面上的振動感和不舒適感明顯。當(dāng)有少量行人(≤2人)在橋面正常行進的條件下，測得雙人行走激勵下的橋面最大加速度幅值為1.006 m/s2，橋面振感十分明顯，特別是由于橋體箱梁基頻較低，橋面加速度響應(yīng)時程曲線局部具有“拍”現(xiàn)象的趨勢。主要是構(gòu)造上橋體箱梁橫隔設(shè)置不盡合理，支座段密而跨中段稀，且設(shè)置的縱向加勁肋厚度和間距偏弱。3)由于該人行天橋基頻較低，基本處于人體行走或者跑步的頻率范圍(2.0 Hz～3.0 Hz)，容易形成拍振現(xiàn)象，加之正常使用狀態(tài)下的橋面振感明顯，長期使用造成的應(yīng)力疲勞會對主體結(jié)構(gòu)的安全性造成隱患。4)為保證該人行天橋正常使用狀態(tài)下的動力性能，建議在橋梁跨中部位設(shè)置扁柱支撐或進行增加豎向剛度的構(gòu)造措施，并對箱梁鋼結(jié)構(gòu)和焊縫進行一次全面的探傷檢查。

4 結(jié)語

本文對某人行天橋進行了現(xiàn)場動力荷載試驗，簡要介紹了人行天橋動力特性的測試方法，通過分析該人行天橋的自振頻率和橋面最大加速度，了解該橋的振動規(guī)律和實際工作狀態(tài)，指出了該橋存在的問題，并提出了相應(yīng)的加固、改造措施，為今后評估該橋體結(jié)構(gòu)性能演變，正常使用、維護和管理提供基礎(chǔ)參照和科學(xué)依據(jù)，為類似結(jié)構(gòu)形式的人行天橋設(shè)計、施工、使用和維護提供參考。

［1］廖順庠.人行天橋的設(shè)計與施工［M］.上海：同濟大學(xué)出版社，1995.

［2］CJJ 69-95，城市人行天橋與人行地道技術(shù)規(guī)范［S］.

［3］金飛飛.輕質(zhì)FRP人行天橋的動力特性研究［J］.工業(yè)建筑，2009(sup)：279-282.