大跨空間異形桁架人行橋設計分析

黃積勇

(福州市規劃設計研究院 福建福州 350104)

0 引言

城市人行天橋建設除了滿足行人過街的功能需求以外，作為城市景觀工程的一個重要組成部分，往往兼顧城市地標性建筑物的景觀需求。同時城市道路地下管線眾多，為盡量避免遷移管線，天橋的跨徑選擇受到諸多限制。為減小天橋建設期間對交通的影響，加快工程進度，鋼箱梁橋是城市天橋建設的首要選擇。但鋼箱梁橋往往造型單一，用鋼量指標相對較大；受力學指標、結構基頻等限制，大跨徑箱梁橋的梁高需要采用較大的尺寸。由于桁架橋梁可選擇上承、中承或下承，結構類型可選擇余地較大；考慮天橋的結構美學造型要求，采用桁架結構同時綜合外立面造型設計，拓展了新的設計思路。本文以福道跨甘洪路橋梁為背景，通過建立全橋有限元計算模型，分析異形桁架結構的受力特點，為今后類似工程建設提供參考。

1 工程概況

福道跨甘洪路橋梁是福道由閩江國光公園跨越甘洪路進入金牛山山體的重要節點，該橋橋型設計在保持原有自然地貌的基礎上，提出弧形曲線橋梁的設計理念，以一種流暢柔和的姿態，將人流自然地導入整個福道的步道系統中。

設計方案在深入研究橋址區人群交通的特質與現有地形之間的關系后，通過運用弧形曲線橋梁的創新手法，巧妙避開周邊現有山體以及道路紅線對設計的限制，將地形上原來的劣勢合理轉換為一種新的設計風格加以全新的呈現，其橋型設計讓人群自然無縫地導入福道主線。

立面造型設計方面，不但考慮了行車的視角，而且也站在行人的角度上，對于橋梁整體模型的大小進行了深層次的研究，以保證整個天橋與周圍環境的融合。與此同時，由于所處的地理位置與臨近閩江的地理條件，風荷載也作為考量的一個重要因素。考慮到桁架結構構件對視線的干擾，天橋桁架梁體外側采用鋁合金進行裝飾。

鋁合金裝飾板采用了穿孔的處理方式，并按黃金比例的原則，對裝飾板進行了輕微彎曲的處理，大大減小了裝飾構造對于結構所帶來的負擔，也降低了橋梁體量對行人及車輛所帶來的視覺沖擊。

橋梁主體結構采用變截面彎、坡桁架異形橋，跨徑布置為22.162+15.628+65.729+11.517，橋面寬4 m。組成桁架的各構件均采用圓形鋼管，構件采用工廠相貫線切割、焊接制造，現場吊裝的方法施工。主橋的立面如圖2所示。

圖2 梁立面布置

圖3 橋梁橫斷面布置

2 有限元模型

為研究跨甘洪路桁架橋的受力特性，采用midas 軟件建立該橋的空間有限元計算模型，如圖4所示。

圖4 全橋主梁模型

橋梁全橋各單元均采用梁單元進行模擬，桁架腹桿間距約4 m。為降低橋面高程，橋梁主跨采用中承式斷面；桁架高度扶手部分高度統一采用1.4 m(主桁架上弦桿中心至扶手輔助桁架頂弦桿中心)。主桁架高度2.38～4.03不等，截面采用梯形布置。

3 整體計算分析

橋梁工程設計荷載按人群荷載5 kPa;風荷載0.7 kPa；結構整體升降溫取-5℃～45℃，初始溫度20℃，升溫25℃，降溫25℃。總體靜力計算采按照實際施工截面、實際的加工位置建立結構計算模型。總體計算根據荷載組合要求的內容進行內力、應力、主梁極限承載力計算，驗算結構在運營階段應力、主梁極限承載力及整體剛度是否符合規范要求。

圖5 全橋應力計算結果

由圖5中可知，桁架弦桿、腹桿最大應力不超過210 MPa，滿足《公路鋼結構橋梁設計規范》規范要求[1]；但不同區域的桿件應力差別較大，桿件尺寸宜根據受力狀況分類采用，根據實際內力、應力分析的基礎上調整構件尺寸。

在人群荷載作用下跨中結構的最大位移為7.9 cm<8.21 cm=L/800，結構撓度滿足要求[2]。

圖6 豎向撓度(活荷載)

活荷載或風荷載下側向撓度要求活荷載或風荷載:最大撓度 ≤ H/300；風壓根據風壓以及迎風面積，計算出均布力加載在桁架的弦桿，進行驗算。

圖7 風荷載位移效應

4 減振方案

人行橋在行人激勵下其自振頻率接近人行走或者跑動的頻率時，容易發生共振，以致其豎向加速度超過人體舒適度極限，給行人心理上造成恐慌，嚴重時會造成人行橋的整體破壞。

根據計算結果，第一豎向震型的固有頻率為1.9赫茲。進一步的步行震動分析確定了在2Hz的行走激勵頻率下橋的振動響應。分析結果顯示橋梁為中度動態敏感結構，其響應因子(R)為40。

國際上目前有以下規范規定的人行橋舒適度評價標準[3]：

表1 國際規范中人行橋振動舒適度的臨界值

圖8 國際標準化組織ISO規范中人行橋振動舒適度的臨界曲線(行人運動中)

圖8為國際標準化組織ISO規范中人行橋振動舒適度的豎向振動加速度限值臨界曲線(行人運動中)，在本結構振動頻率下取值0.4(m/s2)。

不同環境、不同振動頻率下人體舒適度豎向振動峰值加速度限值見表2[4]：

表2 豎向振動峰值加速度限值

該項目豎向振動加速度限值擬采用國內規范不封閉連廊 0.5m/s2。

計算時，選取整體結構自身阻尼比為0.01。求解方式陣型疊加法，分析時間為15s，步長為 0.01s；在此行人步行激勵下，人行橋跨中節點的豎向振動加速度響應如圖9所示。

圖9 豎向加速度時程曲線

跨中豎向加速度峰值為3.2m/s2。

在跨中布置5套豎向TMD及5水平向TMD來減小人行橋的加速度，TMD參數如表3所示，其布置如圖10所示。

表3 TMD參數表

圖10 TMD布置位置示意圖

安裝 TMD 減振器后，有顯著的減振效果。圖11分別為安裝TMD 前后結構最大振動加速度響應時程曲線。可以看出，安裝TMD后，結構的加速度響應大幅度降低，并達到規范要求。

圖11 加設TMD跨中加速度時程

表4 結構加 TMD 前后加速度振動響應對比

加設TMD后結構最大加速度的取值為結構達到穩態后振動峰值。

5 結論

以跨甘洪路異形桁架橋梁為背景，分析了異形桁架橋梁結構在荷載作用下總體結構、各桿件的受力情況以及橋梁的舒適性分析，得到以下結論：(1)城市景觀橋梁采取異形桁架結構設計是可行的；(2)異形桁架各構件零散化嚴重，個別構件的應力較大。應根據實際內力、應力分析的基礎上調整構件尺寸；(3)在風荷載作用下側向撓度、支座的穩定性設計應著重考慮；(4)大跨徑人行橋梁第一垂直自振頻率較小，按人行天橋規范要求滿足不小于3Hz的設計要求將導致結構體量進一步加大，人致振動和舒適性的設計分析以及減震的分析與減震方案設計是設計重要考量之一。