人行激勵(lì)下人行鋼箱梁橋時(shí)程分析★

楊 斌 申楊凡 續(xù)琦峰 王紹全 郭凱強(qiáng) 王艷琪 賈艷敏*

(東北林業(yè)大學(xué)土木學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150040)

人行激勵(lì)下人行鋼箱梁橋時(shí)程分析★

楊 斌 申楊凡 續(xù)琦峰 王紹全 郭凱強(qiáng) 王艷琪 賈艷敏*

(東北林業(yè)大學(xué)土木學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150040)

運(yùn)用MIDAS/Civil有限元建模軟件建立某橋有限元模型，對(duì)單人步行、雙人結(jié)伴步行以及單人跑步三種基本工況的時(shí)程進(jìn)行分析，得到各跨跨中最大變形值與內(nèi)力值，并對(duì)不同工況數(shù)值進(jìn)行對(duì)比分析，由單人跑步與雙人步行可知，跑動(dòng)時(shí)引起的沖擊荷載對(duì)橋體的作用較大，在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)該綜合考慮工況與橋體自身的相互影響。

人行鋼箱梁橋，有限元模型，工況，時(shí)程分析

0 引言

隨著我國(guó)城市交通系統(tǒng)的不斷完善，人行鋼箱梁橋的數(shù)目日益增多，人行鋼箱梁橋以其輕質(zhì)高強(qiáng)、易于施工的特點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于工程建設(shè)中[1]。國(guó)內(nèi)諸多學(xué)者對(duì)人行鋼箱梁橋進(jìn)行了不同方面的研究[2-5]。人行激勵(lì)下的橋梁振動(dòng)以及舒適度成為愈加重要的問(wèn)題，時(shí)程分析是研究橋梁振動(dòng)的基本方法，對(duì)考慮舒適度的橋梁設(shè)計(jì)也起著至關(guān)重要的作用。本文以哈爾濱某人行天橋?yàn)楸尘?，運(yùn)用MIDAS/Civil有限元建模軟件建立有限元模型，對(duì)模型進(jìn)行時(shí)程分析，得到橋梁各跨跨中的最大變形值與內(nèi)力值以及各自發(fā)生的時(shí)間，在對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行分析后得到不同基本工況下的橋梁反應(yīng)，為設(shè)計(jì)與研究提供參考。

1 有限元建模

1.1 工程概況

某人行天橋?yàn)閮煽珉p懸臂鋼箱梁橋，位于某中學(xué)附近，是行人過(guò)街的唯一選擇。該橋總長(zhǎng)60.55 m，跨徑37.95 m+20.00 m，箱梁高度為1.20 m，橋面寬3.00 m。主箱梁采用Q235鋼板，焊條為E43系列焊條，橋面鋪裝4 cm厚C30細(xì)石混凝土。圖1為人行鋼橋立面圖及主箱梁橫截面圖。

1.2 建模方法

使用MIDAS/Civil對(duì)該人行天橋進(jìn)行有限元建模。首先使用MIDAS/Civil自帶的截面特性計(jì)算器對(duì)該人行橋截面特性進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算時(shí)采用薄壁截面Line形式。將計(jì)算好的截面特性通過(guò)MIDAS/Civil的PSC-數(shù)值導(dǎo)入功能導(dǎo)入。模型采用梁?jiǎn)卧吔鐥l件按與實(shí)際情況較相符的兩跨連續(xù)梁考慮(約束類(lèi)型采用節(jié)點(diǎn)約束)。對(duì)橋梁施加自重作用，并考慮該人行鋼箱梁橋的二期恒載(按均布荷載考慮)，使用“將荷載轉(zhuǎn)換成質(zhì)量”的功能將荷載轉(zhuǎn)換成節(jié)點(diǎn)質(zhì)量。用子空間迭代法對(duì)有限元模型進(jìn)行特征值分析，得到周期與振型。圖2為有限元計(jì)算模型。

2 時(shí)程分析

2.1 人行荷載的簡(jiǎn)化

單人行走時(shí)，右腳移動(dòng)和左腳移動(dòng)力—時(shí)間歷程的疊加構(gòu)成了單個(gè)人的雙腳行走的完整的力—時(shí)間歷程[6]。MIDAS/Civil中給出的時(shí)程荷載函數(shù)添加方法為由點(diǎn)構(gòu)成的直線，根據(jù)文獻(xiàn)[6]，在考慮單人行走的荷載時(shí)將其簡(jiǎn)化為折線，簡(jiǎn)化后的單人行走腳步力—時(shí)間歷程如圖3所示。

2.2 時(shí)程分析具體方法

按照人的正常行走速度為1.5 m/s考慮，通過(guò)該橋時(shí)間約為40 s,考慮到人通過(guò)后可能對(duì)橋體振動(dòng)依然有影響，設(shè)定分析時(shí)間總長(zhǎng)為60 s。時(shí)程分析的分析時(shí)間步長(zhǎng)對(duì)結(jié)果的精確度影響很大。分析時(shí)間步長(zhǎng)的大小與結(jié)構(gòu)的高階模態(tài)的周期和荷載的周期有密切的關(guān)系。通過(guò)考慮結(jié)構(gòu)的高階模態(tài)的周期來(lái)決定分析時(shí)間步長(zhǎng)，選定第20階振型的自振周期的1/10即約0.001 s作為分析時(shí)間步長(zhǎng)，到模態(tài)20為止的振型參與質(zhì)量的合計(jì)為91.46%，大于90%，因此認(rèn)為對(duì)于豎直方向的反應(yīng)，所參與的質(zhì)量已經(jīng)足夠可以獲得結(jié)構(gòu)動(dòng)力反應(yīng)的主要特征[7]。分析方法采用振型疊加法，時(shí)程類(lèi)型采用時(shí)程荷載函數(shù)不反復(fù)作用的瞬態(tài)，振型阻尼比按鋼材0.04考慮。

2.3 單人步行時(shí)程分析

運(yùn)行分析，可得到單人步行荷載下的內(nèi)力及振動(dòng)情況。各跨跨中的彎矩時(shí)程曲線、位移時(shí)程曲線和速度時(shí)程曲線，如圖4～圖6所示。

從圖4的曲線形狀可以得到行人通過(guò)時(shí)的橋體內(nèi)力變化，行人在左跨行走時(shí)對(duì)右跨的影響要遠(yuǎn)大于行人在右跨行走時(shí)對(duì)左跨的影響，由圖4～圖6可以得到行人通過(guò)時(shí)的橋體振動(dòng)情況。

2.4 對(duì)比分析

按照與單人行走相同的分析方法，分析雙人結(jié)伴而行以及單人跑步通過(guò)時(shí)的變形及內(nèi)力情況。圖7為雙人結(jié)伴而行的腳步力—時(shí)間歷程簡(jiǎn)化圖，圖8為單人跑步通過(guò)的腳步力—時(shí)間歷程簡(jiǎn)化圖。表1為三種工況下位移與彎矩最大值對(duì)比表。

表1 各種工況下位移與彎矩最大值對(duì)比表

由表1數(shù)據(jù)可知，不同工況對(duì)變形及內(nèi)力的影響有所不同，荷載的峰值大小、曲線形狀以及沖擊作用都是影響因素，而且橋梁本身的跨度差異也會(huì)對(duì)自身反應(yīng)有所影響。比較三種工況的荷載曲線可知，雙人結(jié)伴同行時(shí)腳步力增大并且由雙人行走相關(guān)性引起了腳步力—時(shí)間歷程曲線峰值的變化，單人跑步通過(guò)時(shí)具有一定的沖擊荷載。這些原因引起了變形以及內(nèi)力的變化，雙人步行時(shí)左跨跨中的最大位移、最大彎矩、右跨跨中最大位移、最大彎矩分別比單人時(shí)增大5.9%，4.3%，6.3%，40.1%，單人跑動(dòng)時(shí)分別增大9.1%，5.1%，40.8%，99.3%。綜合以上數(shù)據(jù)可知，單人跑步的沖擊力對(duì)橋梁的振動(dòng)影響要大于由一定人數(shù)增加所引起的影響，可見(jiàn)行人跑動(dòng)時(shí)的沖擊力對(duì)變形及內(nèi)力的影響較大；可以明顯的看出右跨的最大彎矩在各種工況下增大都最為明顯，說(shuō)明較小跨度對(duì)荷載的反應(yīng)更為敏感。

3 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)MIDAS/Civil有限元模型建立過(guò)程以及時(shí)程分析得到不同工況下的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得到以下結(jié)論：1)從單人行走下的振動(dòng)可以明顯看出跨度對(duì)橋體反應(yīng)的影響，振動(dòng)強(qiáng)度的大小受跨度大小的影響。2)各跨的變形及內(nèi)力在單人跑動(dòng)時(shí)的增長(zhǎng)都大于雙人步行時(shí)的增長(zhǎng)，可見(jiàn)沖擊力的作用要大于一定數(shù)量的人數(shù)增長(zhǎng)荷載作用；各工況下右跨的彎矩增長(zhǎng)都較大，說(shuō)明較小跨度下內(nèi)力對(duì)于荷載的變化更為敏感。

[1] 饒 波.大跨度鋼箱梁人行天橋設(shè)計(jì)[J].橋梁結(jié)構(gòu),2009,2(2):30-32.

[2] 李 泉.多人隨機(jī)行走激勵(lì)下人行橋振動(dòng)分析[J].計(jì)算力學(xué)學(xué)報(bào),2010(10):27-30.

[3] 李紅利.考慮荷載隨機(jī)性的人行橋人致振動(dòng)計(jì)算方法研究[J].湖南大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2013(10):40-41.

[4] 李紅利.人—橋豎向動(dòng)力相互作用效應(yīng)理論與試驗(yàn)研究[J].土木工程學(xué)報(bào),2014(6):47-50.

[5] 傅學(xué)怡.時(shí)程頻譜結(jié)合分析方法對(duì)展望橋人行舒適度的分析與控制[J].土木工程學(xué)報(bào),2011(10):44-45.

[6] 陳政清.人行橋的振動(dòng)與動(dòng)力設(shè)計(jì)[M].北京：人民交通出版社,2009.

[7] 楊 超.爆破地震波作用下橋梁結(jié)構(gòu)的安全評(píng)估[D].西安:長(zhǎng)安大學(xué),2009.

Analysis of time history for steel box girder bridge under the pedestrian excitation★

Yang Bin Shen Yangfan Xu Qifeng Wang Shaoquan Guo Kaiqiang Wang Yanqi Jia Yanmin*

(SchoolofCivilEngi.,NortheastForestryUniv.,Harbin150040,China)

Using MIDAS/Civil software to establish finite element model of the bridge. Then make the time history analysis of three kinds of basic working condition: one person walking, two person walking together, and a single run. Get maximum deformation and internal force value of every midspan. And comparing the analysis of different working conditions. Comparing single running and double walking, the impact load caused by running have a bigger role on the bridge. The phenomenon that the bridge and the person influence each other should be considered when designing.

pedestrian steel box girder bridge, finite element model, working condition, time history analysis

2015-04-07★:國(guó)家大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目(項(xiàng)目編號(hào)：201410225041)

楊 斌(1994- )，男，在讀本科生； 申楊凡(1993- )，男，在讀本科生； 續(xù)琦峰(1994- )，男，在讀本科生； 王紹全(1993- )，男，在讀本科生； 郭凱強(qiáng)(1992- )，男，在讀本科生； 王艷琪(1992- )，男，在讀本科生

賈艷敏(1962- )，女，博士，博士生導(dǎo)師，教授

1009-6825(2015)17-0150-03

U448.213

A