鋼結構人行天橋舒適度設計及其控制研究

趙光偉

摘 要：鋼結構天橋是寬度為6～12 m、跨度在27～40 m之間的鋼桁架結構體系，通常采用封閉式外圍護系統。根據《城市人行天橋與人行地道技術規范》，人行天橋豎向自振頻率需>3 Hz，以滿足舒適度的要求，已成為鋼結構人行天橋的主要設計控制因素。通過彈性時程分析得出的激勵荷載、橋面系的質量比、結構動力時程響應的對應關系，分析了滿足舒適度要求的最小橋面系質量，并以此作為結構舒適度設計的補充控制指標。

關鍵詞：鋼結構；人行天橋；人行激勵；舒適度

中圖分類號：U441+.3 文獻標識碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2015.13.001

隨著我國高鐵四縱四橫骨干網的建成，未來高鐵發展將以大都市區市郊通勤鐵路和城市群城際鐵路為主。因此，中小型客運站房的建設數量將越來越多，鋼結構人行天橋作為主要的跨線設施類型將被大量采用。人行天橋在人群行走的作用下可能產生較大的振動，影響行走的舒適度。而現行規范中的撓度限值和自振頻率限值無法很好地評價結構振動的舒適度。

1 結構模態分析

為了分析人行天橋的固有動力特性，采用MIDAS GEN建立了人行天橋的有限元模型，圖1為天橋結構計算模型簡圖，對天橋結構進行了模態分析。振動質量源為結構構件質量、建筑裝修質量和50%人群荷載質量。

以《城市人行天橋與人行地道技術規范》中規定的人行天橋豎向自振頻率>3 Hz為舒適度設計控制指標時，要求天橋結構具有較大的豎向彎曲剛度，其前10階基頻和主要振動模態如表1所示。第一階豎向振動為人行天橋豎向彎曲振動，振動頻率為3.56 Hz，豎向自振頻率遠離人群步行頻率。

不以豎向自振頻率>3 Hz為舒適度設計控制指標，充分利用天橋結構構件的承載力，以天橋樓面的結構動力加速度響應值作為舒適度設計控制指標時，可適當降低天橋結構的豎向彎曲剛度，其前10階基頻和主要振動模態如表2所示。第一階豎向振動為人行天橋豎向彎曲振動，振動頻率為2.86 Hz，頻率較低且接近于人群步行頻率。

2 人行激勵振動特性計算

3 時程分析計算結果

理論上，當人行橋的自振頻率在人行激勵基頻（2 Hz）或高階頻率（4 Hz、6 Hz等）附近時，人行天橋就可能發生共振，但因結構阻尼的存在，只有當人行荷載具有足夠的能量時，共振才會真正發生。

人行荷載的能量取決于人群質量G，即天橋上同時行走的人數，可以根據車站最大到達人數、最高聚集人數分別考慮進站、出站人流的影響（不考慮多站臺同時作業和進、出站人流在天橋上相遇的情況）。本文中人群質量G根據車站最高聚集人數計算，并考慮人群密度≤1人/m2和天橋樓面面積為1 000 m2，人的質量取為70 kg/人。人群均勻分布在天橋的樓面上，并沿天橋均勻前進。

模型的阻尼比取0.035，對天橋結構進行人行荷載激勵作用下的動力時程分析，可得到加速度響應時間歷程曲線和位移響應時間歷程曲線。分析結果如表3所示。

3.1 頻率限值分析

參考國外相關規范和中國《城市人行天橋與人行地道技術規范》規定的限值，對比結果詳見表4. 由表4可知，本算例人行天橋豎向自振頻率不滿足>3 Hz的要求，存在人行荷載激勵作用下產生共振的可能性。

3.2 動力響應限值分析

通過對天橋結構進行彈性時程分析，得出天橋樓面上的最大加速度響應，從而可評估其舒適度性能，分析結果詳見表5.

由表5可見，人行天橋的加速度響應過大，遠超規范規定的限值；加速度響應與人群密度成正比，即與人群質量G是線性關系。在結構剛度不變的情況下，可推導出滿足加速度響應限值0.018 g的人群密度為0.125人/m2，人群與樓面的質量比為1.675%.

4 結論

在大跨度輕柔結構中，僅僅通過限制結構的靜態撓度或單純限值其自振頻率，以保證人行激勵下的舒適度是不夠的。一方面，會過分加大結構剛度，進而耗費大量鋼材；另一方面，無法完全保證結構滿足舒適度指標的要求。

結構在人行激勵曲線作用下的振動響應與結構自身振動特性有密切關系。加速度響應與人群質量G是線性關系，在結構剛度不變的情況下，人群質量G與樓面結構自重的比值越小，則樓面結構的加速度響應值越小。因此，可考慮通過增加樓面配重來降低結構的加速度響應，以滿足舒適度的要求。

參考文獻

[1]孫利民，閆興非.人行橋人行激勵振動及設計方法[J].同濟大學學報（自然科學版），2004，32（8）：996-999.

[2]馬耕，在田.城市人行天橋動力設計問題探討[J].市政·交通·水利工程設計，2008（7）：62-65.

[3]Bachmann H.Case studies of structures with man-induced vibrations[J].ASCE Journal of Structural Engineering，1992（118）：631-647.

〔編輯：張思楠〕

Abstract： The steel structure bridge is the width of 6 ～ 12 m， span between 27 ～ 40 m steel truss structure system， usually uses a closed external enclosure system. According to the“urban pedestrian bridge and tunnel technology standard”， pedestrian bridge vertical self-vibration frequency must be > 3 Hz， to meet the comfort requirements has become steel pedestrian overcrossing of the main controlling factor of design. The elastic time history analysis drawn loads， the bridge deck system of quality ratio， structural dynamic time history response of the corresponding relationship of meet the comfort requirements of the minimum deck system quality， and thus as a supplement to comfort design of structure control index.

Key words： steel structure； pedestrian； pedestrian excitation； comfort