基于舒適性的人行天橋振動(dòng)評(píng)價(jià)應(yīng)用

趙力國(guó) 許金玉 顧大鵬

(1.中交第一公路勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，陜西 西安 710075； 2.北京國(guó)道通公路設(shè)計(jì)研究院股份有限公司，北京 100053)

基于舒適性的人行天橋振動(dòng)評(píng)價(jià)應(yīng)用

趙力國(guó)1許金玉2顧大鵬2

(1.中交第一公路勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，陜西 西安 710075； 2.北京國(guó)道通公路設(shè)計(jì)研究院股份有限公司，北京 100053)

針對(duì)大跨徑人行天橋振動(dòng)評(píng)價(jià)問(wèn)題，對(duì)比了國(guó)內(nèi)外關(guān)于天橋振動(dòng)問(wèn)題的規(guī)定，對(duì)某天橋方案進(jìn)行了動(dòng)力分析，并采用德國(guó)規(guī)范對(duì)該橋的人行舒適性進(jìn)行了評(píng)價(jià)，指出該橋能達(dá)到行人的舒適性標(biāo)準(zhǔn)要求。

人行天橋,動(dòng)力分析,舒適性評(píng)價(jià)，荷載

0 引言

隨著我國(guó)城市建設(shè)飛速發(fā)展，人行橋在我國(guó)交通建設(shè)中得到了廣泛應(yīng)用。近年來(lái)隨著科技進(jìn)步，人行橋也向纖細(xì)美觀的方向發(fā)展，越來(lái)越多的天橋采用輕質(zhì)高強(qiáng)材料和特殊的造型。隨之而來(lái)的問(wèn)題是人行橋因振動(dòng)而不滿足舒適性要求，國(guó)內(nèi)規(guī)范要求滿足頻率要求，避開(kāi)行人步頻，避免發(fā)生共振。而對(duì)于一些大跨徑鋼橋較難滿足要求，且為滿足要求而增大的梁高和增設(shè)的橋墩不經(jīng)濟(jì)且效果不明顯。

1 工程概況

該天橋?yàn)槟掣咚俟窋U(kuò)建工程中新建天橋。橋梁結(jié)構(gòu)形式：主橋及引道橋均為等截面鋼箱連續(xù)梁，基礎(chǔ)為鉆孔灌注樁及剛性擴(kuò)大基礎(chǔ)。

1.1 設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)

1)荷載標(biāo)準(zhǔn)。

設(shè)計(jì)人群荷載:5 kN/m2，地震動(dòng)峰值加速度：0.20g。

2)凈空標(biāo)準(zhǔn)。

主橋下方高速公路主、輔路凈空均大于5 m。

3)寬度標(biāo)準(zhǔn)。

主橋:全寬4.0 m，凈寬3.6 m，地袱寬2×0.2 m。

梯道引道橋。

全寬3.0 m，中間臺(tái)階踏步寬1.9 m，兩側(cè)自行車帶寬2×0.45 m。

坡道引道橋：全寬3.0 m，步道寬2.8 m，地袱寬2×0.1 m。

4)橋梁縱坡。

主橋:梁底豎曲線半徑500 m。

1.2 橋梁結(jié)構(gòu)

主橋?yàn)?孔(20+45+31.5)m全焊等截面鋼箱梁連續(xù)梁，箱梁水平投影總長(zhǎng)99.5 m。主梁截面為單箱單室，梁高1.0 m，腹板間距為2.5 m，懸臂長(zhǎng)0.75 m，全寬4 m。焊接鋼板采用Q235qD鋼，頂、底板、腹板厚為16 mm。主梁箱室內(nèi)設(shè)置加勁肋及橫隔板。立面布置為豎曲線加直線，梁底豎曲線半徑R=750 m。

梯道引道橋?yàn)殇撓溥B續(xù)梁，截面為單箱雙室，梁高0.3 m，標(biāo)準(zhǔn)跨徑9.2 m，箱梁頂板即為臺(tái)階踏步，踏步寬0.40 m，高0.10 m。

坡道引道橋?yàn)殇撓溥B續(xù)梁，截面為單箱雙室，梁高0.4 m，標(biāo)準(zhǔn)跨徑14 m。

橋型布置圖見(jiàn)圖1。

2 動(dòng)力分析

計(jì)算采用 Midas軟件對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析計(jì)算。根據(jù)此人行橋的結(jié)構(gòu)構(gòu)造特點(diǎn)，單位采用kN，m，s制，全橋離散為104個(gè)單元，110個(gè)節(jié)點(diǎn)。材料定義為線性各向同性Q235，彈性模量為2.1×108kN/m2，泊松比為0.3，材料密度為78 kN/m3。邊界約束條件為：中跨支座處設(shè)置鉸支座，其余設(shè)置滑動(dòng)支座。模型如圖2所示。

人行橋人致振動(dòng)與結(jié)構(gòu)的自振特性相關(guān)，只有激振頻率和自振頻率相當(dāng)才會(huì)發(fā)生共振，所以，需要分析橋梁結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性。考慮本橋的振動(dòng)情況，只考慮全橋的豎向振動(dòng)，橋梁的振型如圖3所示。

從圖1～圖3中可以看出該橋如果按照1.0 m梁高計(jì)算結(jié)構(gòu)不能滿足我國(guó)天橋設(shè)計(jì)規(guī)范要求，fv，0=2.52 Hz<3.0 Hz。

3 人行橋振動(dòng)舒適度評(píng)價(jià)

在對(duì)現(xiàn)有的人體振動(dòng)舒適度評(píng)價(jià)方法進(jìn)行總結(jié)研究的基礎(chǔ)上，提出一種適合計(jì)算分析人行天橋人群荷載和振動(dòng)評(píng)價(jià)方法。

3.1 人行荷載的力學(xué)模型

人群在橋上行走時(shí)，人行荷載也是一種周期性荷載，通常人行荷載只引起較小的振動(dòng)響應(yīng)；但當(dāng)人行橋上人流量較大時(shí)，由于側(cè)向力頻率與橋梁橫向基頻接近，從而引起人群調(diào)整步伐以適應(yīng)振動(dòng)，“集體同步”現(xiàn)象。這種現(xiàn)象是十分危險(xiǎn)的，多數(shù)人致振動(dòng)破壞天橋均為該種情況，為研究人行荷載，以歐洲規(guī)范相關(guān)規(guī)定進(jìn)行了研究。

參考了英國(guó)規(guī)范、歐洲規(guī)范[1]等，本文采用德國(guó)人行橋設(shè)計(jì)指南[2]將行人進(jìn)行了交通等級(jí)劃分，如表1所示。

表1 行人交通等級(jí)和密度

根據(jù)我國(guó)特點(diǎn)，考慮人—橋相互作用效果之后，參考德國(guó)規(guī)范，作用在人行橋上的人行荷載為：

p(t)=P·cos(2πfv,0t)·n′·ψ

(1)

式中：n′——與橋上自由行走的n個(gè)人的效應(yīng)等效的同步行走人數(shù)；

P——荷載幅值，見(jiàn)表2；

ψ——考慮行人步頻接近結(jié)構(gòu)基頻變化臨界值引起的折減系數(shù)，具體取值見(jiàn)圖4。

表2 荷載模型中P的取值

3.2 舒適性評(píng)價(jià)指標(biāo)

人體舒適性是一個(gè)復(fù)雜的評(píng)價(jià)體系，目前，國(guó)內(nèi)外還沒(méi)有統(tǒng)一的舒適度指標(biāo)，但國(guó)內(nèi)外已經(jīng)有相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范中有類似的評(píng)價(jià)指標(biāo)。如，鐵路列車的Janeway舒適度系數(shù)、歐洲ECCS規(guī)范指標(biāo)、ISO10137規(guī)范指標(biāo)、英國(guó)規(guī)范BS5400和我國(guó)列車車體加速度指標(biāo)等。

綜合現(xiàn)有關(guān)于舒適度指標(biāo)值的研究采用英國(guó)規(guī)范BS5400[3]要求豎向的響應(yīng)峰值加速度允許值為：

(2)

其中，fv,0為結(jié)構(gòu)豎向振動(dòng)基頻。

3.3 舒適性評(píng)價(jià)

在計(jì)算人行天橋結(jié)構(gòu)固有頻率時(shí)，參考了文獻(xiàn)[4]給出的結(jié)論：當(dāng)行人的模態(tài)質(zhì)量大于橋梁主梁模態(tài)質(zhì)量的5%時(shí)，應(yīng)在計(jì)算動(dòng)力特性時(shí)計(jì)入行人的質(zhì)量。經(jīng)過(guò)計(jì)算如果按照四等交通狀態(tài)進(jìn)行核算，本橋行人的模態(tài)質(zhì)量大于橋梁主梁模態(tài)質(zhì)量的14%，因而計(jì)算考慮行人的模態(tài)質(zhì)量，則橋梁基頻fv,0=2.12 Hz。

采用Midas軟件對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了時(shí)程分析，對(duì)于時(shí)程分析比較重要的部分是確定結(jié)構(gòu)阻尼比，參考已有研究成果，考慮到本工程屬于鋼結(jié)構(gòu)，參考文獻(xiàn)[5]給出的國(guó)外規(guī)范和人行橋阻尼比實(shí)測(cè)結(jié)果，其中鋼結(jié)構(gòu)人行天橋的平均阻尼比約為 0.4%。本結(jié)構(gòu)采用阻尼比為0.4%。

單人荷載采用德國(guó)規(guī)范規(guī)定的人群荷載，取第四等級(jí)進(jìn)行驗(yàn)算得到：

p(t)=P·cos(2πfv,0t)·n′·ψ=0.094·cos(2πfv,0t)(kN)。

4 結(jié)語(yǔ)

本文以北某天橋工程設(shè)計(jì)為依托，綜合研究了國(guó)內(nèi)外對(duì)大跨度人行天橋振動(dòng)舒適性的評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了動(dòng)力分析，給出了工程的舒適性評(píng)價(jià)，說(shuō)明德國(guó)規(guī)范的舒適性評(píng)價(jià)對(duì)大跨度鋼天橋振動(dòng)評(píng)價(jià)相對(duì)更為合理。

[1] European Committee for Standardization.EN 1990:2002/ A1:2005.Euro code Basis of structural design. Application for bridges[S].

[2] EN 03，Design of Footbridges-Guideline[S].

[3] BS 5400，steel，Concrete and Composite Bridges，UK：British Standards Association[S].

[4] 陳政清，華旭剛.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.

[5] Bachmann H. Human response to vibrations[C]. Institute of Structural Engineering,ETH:Vibration Problems in Structures:Practical Guidelines.Basel,Birkh?user Verlag,1995.

Abstract: According to the vibration evaluation of the large-span pedestrian overpasses, the paper compares the regulation on the overpass vibration at home and abroad, undertakes the dynamic analysis of some overpass scheme, undertakes the evaluation of the pedestrian comfort in the regulation of German, and points out the bridge can meet the comfort standards.

Key words: pedestrian overpass, dynamic analysis, comfort evaluation, loading

On vibration evaluation of pedestrian overpasses based on comfort

Zhao Liguo1Xu Jinyu2Gu Dapeng2

(1.CCCCFirstRoadSurveyandDesignInstituteCo.,Ltd,Xi’an710075,China; 2.BeijingGuodaotongHighwayDesignandResearchInstituteCo.,Ltd,Beijing100053,China)

2016-03-15

趙力國(guó)(1984- )，男，工程師； 許金玉(1971- )，女，高級(jí)工程師； 顧大鵬(1985- )，男，高級(jí)工程師

1009-6825(2016)15-0171-02

U443.15

A