某新型鋼結(jié)構(gòu)人行天橋穩(wěn)定性研究

伍臣宇

（重慶中設(shè)工程設(shè)計(jì)股份有限公司綜合六所，重慶400025）

某新型鋼結(jié)構(gòu)人行天橋穩(wěn)定性研究

伍臣宇

（重慶中設(shè)工程設(shè)計(jì)股份有限公司綜合六所，重慶400025）

該文以四川某地區(qū)新型鋼結(jié)構(gòu)人行天橋?yàn)檠芯繉?duì)象，采用有限元軟件MIDAS對(duì)天橋在不同荷載組合作用下進(jìn)行了模擬，分析了天橋結(jié)構(gòu)變形及受力特征，并探討了天橋自振特性。計(jì)算結(jié)果表明：該新型人行天橋在結(jié)構(gòu)上比較合理，自振頻率符合規(guī)范要求，為該類天橋設(shè)計(jì)提供了依據(jù)。

人行天橋；魚腹式鋼箱梁；有限元法；自振特性

0 引言

目前，我國(guó)處于城市建設(shè)的快速發(fā)展時(shí)期，城區(qū)車輛急速增長(zhǎng)，交通壓力增大，車輛和行人相互交織，導(dǎo)致交通事故增多。人行天橋的發(fā)展能一定程度上緩解每況愈下的城市交通狀況，而鋼結(jié)構(gòu)人行天橋以其大跨、纖細(xì)的特點(diǎn)則越來越多受到青睞，其結(jié)構(gòu)形式在發(fā)展過程中也越來越復(fù)雜。人行天橋是一種特殊的結(jié)構(gòu)形式，在滿足安全性的同時(shí)，必須對(duì)其使用性能給予足夠重視[1]。一座好的人行天橋，應(yīng)與周圍環(huán)境相得益彰，不僅要發(fā)揮自身的通行能力，還需起到提升城市道路美觀性的作用，成為城市一道美麗風(fēng)景線；一座美麗的人行天橋亦是一座城市的名片，甚至成為現(xiàn)代建筑中的藝術(shù)品[2]。

目前對(duì)大跨度、結(jié)構(gòu)復(fù)雜的鋼結(jié)構(gòu)人行天橋的有限元分析的文獻(xiàn)較少，文中以落實(shí)“以人為本”，保證人的安全性與舒適度為設(shè)計(jì)理念，利用有限元計(jì)算方法對(duì)結(jié)構(gòu)在不同荷載組合下進(jìn)行了模擬分析，研究了該天橋的受力特點(diǎn)。

1 工程概況

天橋平面線性采用兩大小不等圓曲線相切成S型，豎向采用圓拱式，矢跨比約為1∶22.2，為坦拱。天橋全長(zhǎng)約為71m，橋梁寬度7.4m，主梁采用全焊接式鋼結(jié)構(gòu)。天橋計(jì)算跨徑為20.25+ 30+20.25m，主要材料為16MnC（Q345）鋼板。截面形式為單箱六室魚腹式等截面鋼箱梁。橋墩采用三根直徑500cm、壁厚16mm的鋼管柱成倒三角型，橋墩與主梁用高強(qiáng)螺栓剛性連接，見圖1。

圖1 天橋一般布置圖（單位：cm）

2 計(jì)算方法

2.1 天橋靜力計(jì)算原理

文中利用大型有限元軟件MIDAS對(duì)人行天橋結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元計(jì)算[3]。首先對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行離散化，得到總體平衡方程：

3 計(jì)算模型及數(shù)值分析過程

3.1 計(jì)算模型

根據(jù)工程材料及結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，利用有限元軟件MIDAS建立空間力學(xué)模型，如圖2。箱梁上下翼緣板、腹板、橫隔板等主要受力構(gòu)件均采用空間板單元模擬。其中，主梁共劃分為592個(gè)節(jié)點(diǎn)和1029個(gè)板單元，橋墩劃分為6個(gè)梁?jiǎn)卧蚨张c主梁剛性連接，兩端橋臺(tái)處彈性連接，見圖2。

圖2 天橋有限元計(jì)算模型

3.2 計(jì)算參數(shù)

模型材料參數(shù)依據(jù)《城市人行天橋與人行地道技術(shù)規(guī)范》CJJ69-95[5]與《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50017-2003[6]取值，如表1。

極值溫度根據(jù)當(dāng)?shù)貙?shí)際溫差取±20，施工時(shí)環(huán)境溫度取20。

表1 材料參數(shù)

3.3 結(jié)構(gòu)計(jì)算

結(jié)合當(dāng)?shù)亟煌顩r，天橋主梁施工采用工廠分為5段加工預(yù)制，再現(xiàn)場(chǎng)焊接拼裝。不僅對(duì)既有交通影響小，而且能使焊接質(zhì)量得到保證，焊接殘余變形更容易得到控制，還便于施工，有利于節(jié)省工期。

根據(jù)天橋?qū)嶋H受力狀態(tài)進(jìn)行數(shù)值模擬（如圖3），主要分為4種荷載組合：（1）自重；（2）自重+二期荷載（裝飾、橋面鋪裝）；（3）自重+二期荷載（裝飾、橋面鋪裝）+車道人群荷載；（4）承載能力極限狀態(tài)，荷載組合為：1.2×結(jié)構(gòu)自重+1.2×二期恒載+1.4×人群荷載+0.7×（1.4×溫度荷載+1.1×風(fēng)荷載）。

第1步建立天橋模型，計(jì)算出模型質(zhì)量；第2步添加二期荷載，將其轉(zhuǎn)換為質(zhì)量，計(jì)算天橋一階豎向自振頻率（見圖4）；第3步添加車道人群荷載，人群荷載考慮滿載，取5.0 kN/m2；第4步計(jì)算天橋承載能力極限狀態(tài)下，結(jié)構(gòu)應(yīng)力、位移及變形。

圖3 荷載工況

4 計(jì)算結(jié)果及分析

4.1 天橋自振特性分析

根據(jù)有限元結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)計(jì)算方法可得天橋的振動(dòng)特性——固有頻率和振型，見圖4及表2。

圖4 一階振型

圖5 二階振型

表2 結(jié)構(gòu)自振頻率

由表2和圖4、圖5可以看出天橋一階振型為3.95Hz大于3Hz，天橋舒適度滿足要求。

4.2 應(yīng)力分析

結(jié)構(gòu)在承載能力極限狀態(tài)下應(yīng)力云圖見圖6。

圖6 應(yīng)力云圖/Pa

計(jì)算結(jié)果表明，結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力發(fā)生在主梁跨中和橋墩頂，最大應(yīng)力值為119.2 MPa。

4.3 位移分析

通過有限元數(shù)值計(jì)算，分別得到在恒載、活載作用下結(jié)構(gòu)豎向最大位移，見圖7。

圖7 豎向位移云圖（單位：m）

由圖6、圖7可知：在恒載、活載作用下天橋最大豎向位移均發(fā)生在跨中，分別為3.13cm、0.95cm。

4.4 支座反力

通過有限元數(shù)值計(jì)算得到支座反力，如圖8。

鋼結(jié)構(gòu)人行天橋的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)便是自重較小，結(jié)構(gòu)輕盈。如圖8所示，天橋支座反力主要集中在橋墩，分別為1787.4kN、1800.9kN。

圖8 支座反力(單位：m)

5 優(yōu)化設(shè)計(jì)

考慮城市交通安全，城市人行天橋應(yīng)設(shè)置欄桿、照明、排水等必要設(shè)施。

（1）欄桿要求滿足規(guī)范要求外，還應(yīng)與天橋融為一體，使其功能與造型統(tǒng)一。該天橋設(shè)計(jì)采用鋼化玻璃，干凈透明，外觀簡(jiǎn)約時(shí)尚，很好地詮釋了主題。

（2）天橋位于河流之上，采用縱向排水方式，橫向直接排入河流之中，并能有效地節(jié)約材料，不影響景觀效果。

6 結(jié)語

（1）鋼結(jié)構(gòu)人行天橋雖然結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，但天橋自重較小，結(jié)構(gòu)造型新穎，并能與城市很好地結(jié)合在一起。

（2）計(jì)算出天橋一階自振頻率滿足規(guī)范要求，天橋行人舒適度比較好。

（3）該設(shè)計(jì)利用有限元方法主要計(jì)算了結(jié)構(gòu)的靜力和動(dòng)力特征，靜力特征反映了結(jié)構(gòu)的自穩(wěn)能力是否滿足要求，動(dòng)力特征反映了在人群荷載作用下行人舒適度是否滿足要求。結(jié)果表明，鋼結(jié)構(gòu)天橋的應(yīng)力和位移均在可控范圍內(nèi)，安全能得到保證，很好地指導(dǎo)了設(shè)計(jì)與施工。

[1]陳建森.人行天橋的造型與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[J].中國(guó)科技信息，2005（15）：208.

[2]潘穎，鄧宇.城市人行天橋方案設(shè)計(jì)探討[J].重慶科技學(xué)院學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2009，11(6)：88-90．

[3]王勖成.有限單元法[M].北京：清華大學(xué)出版社，2003：55-95，468-518．

[4]蔡貴春，王輝明.大型鋼結(jié)構(gòu)人行景觀天橋的有限元分析[J].新建大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2006，23（2）：233-235．

[5]建設(shè)部.CJJ69-95城市人行天橋與人行地道技術(shù)規(guī)范[S].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，1996.

[6]建設(shè)部.GB50017-2003鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京：中國(guó)計(jì)劃出版社，2003.

責(zé)任編輯:孫蘇,李紅

Study on Stability of a New Type Steel-Structured Pedestrian Overpass

In this paper,a steel-structured pedestrian overpass of a new type is studied.It runs simulations on the overpass under different load combinations with the finite element software MIDAS,analyzes the deformation and stress characteristics of the overpass,and discusses the self-vibration characteristics of the overpass.The results show that this new type of pedestrian overpass has a reasonable structure,and self-vibration frequencies in consistent with the specification,which provides a basis for the design of the overpass.

pedestrian overpass;fish belly-shaped steel box girder;finite element method;self-vibration characteristics

U448.11

A

1671-9107（2017）09-0034-03

10.3969／j.issn.1671-9107.2017.09.034

2016-09-13

伍臣宇（1984-），男，重慶人，研究生，工程師，主要從事橋梁與隧道、巖土設(shè)計(jì)工作。