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達，為提高城市路網的通行能力、確保行人過街安全、方便，城市人行過街設施的建設日益增多，其中主要的就是人行天橋的建設。城市人行天橋的建設對實現人車分流、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部門的重視。然而隨著人行天橋建設量不斷增加，人行天橋出現質量和設計問題屢見不鮮，往往造成維修和改造浪費大量經費，嚴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，為某小學擴建工程的配套工程，用以連接新校區三層樓面和老校區操場，便于師生往來于新老校區之間。該人行天橋為單跨鋼結構簡支梁橋，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，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場測試。脈動法采用橋面無人通行情況下的車流環境激勵，強迫振動法以一個人在跨中區域橋面的跳躍，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 測試結果

2.3.1 加速度時程及頻譜結構

圖2給出了利用通行車流的環境激勵下，橋面跨中豎向加速度響應時程及其頻譜結構。可以看到，在環境激勵下橋面豎向振動響應主要以一階振型和二階振型為主。

圖2 環境激勵下跨中加速度響應及頻譜

圖3 單人行走激勵下跨中加速度響應及頻譜

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時程及其頻譜結構。可以看到，在單人行走激勵下橋面豎向振動響應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時程及其頻譜結構。可以看到，在雙人行走激勵下橋面豎向振動響應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及頻譜

圖5給出了單人在跨中區域橋面跳躍激勵下，橋面跨中豎向加速度響應時程及其頻譜結構。可以看到，在跳躍激勵下橋面豎向振動響應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及頻譜

2.3.2 箱梁的自振頻率

數據分析采用較大重疊率和較多的平均次數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的模態進行辨識，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頻譜結構容易看出，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系。但是實際上，對頻率的要求是以加速度限值為基礎的，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規范第2.5.4條“為避免共振，減小行人不安全感，天橋上部結構豎向自振頻率不應小于3 Hz”的要求，但提示出該橋在豎向平面內剛度冗余度較小。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，橋面加速度響應時程曲線局部具有“拍”現象的趨勢。主要是構造上橋體箱梁橫隔設置不盡合理，支座段密而跨中段稀，且設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)，容易形成拍振現象，加之正常使用狀態下的橋面振感明顯，長期使用造成的應力疲勞會對主體結構的安全性造成隱患。4)為保證該人行天橋正常使用狀態下的動力性能，建議在橋梁跨中部位設置扁柱支撐或進行增加豎向剛度的構造措施，并對箱梁鋼結構和焊縫進行一次全面的探傷檢查。

4 結語

本文對某人行天橋進行了現場動力荷載試驗，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，了解該橋的振動規律和實際工作狀態，指出了該橋存在的問題，并提出了相應的加固、改造措施，為今后評估該橋體結構性能演變，正常使用、維護和管理提供基礎參照和科學依據，為類似結構形式的人行天橋設計、施工、使用和維護提供參考。

［1］廖順庠.人行天橋的設計與施工［M］.上海：同濟大學出版社，1995.

［2］CJJ 69-95，城市人行天橋與人行地道技術規范［S］.

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