鋼箱梁人行天橋設計與自振頻率影響因素分析

段騰飛 朱俊樸

摘要：本文通過對某鋼箱梁人行天橋的工程設計及計算分析，總結出鋼箱梁人行天橋設計過程中如何有效提高鋼箱梁天橋自振頻率，供鋼箱梁人行天橋設計從業者參考。

關鍵詞：人行天橋、自振頻率、橋梁設計

1引言

人行天橋在設計過程中，不僅要求結構安全可靠，為保證行人行走舒適度，避免人橋共振，對天橋的豎向自振頻率也有一定的要求。現行規范《城市人行天橋與人行地道技術規范》CJJ 69-95中明確要求天橋上部結構豎向自振頻率不應小于3Hz，深圳市地方設計指引要求更高，《深圳市人行天橋和連廊設計指引》中要求天橋上部結構不低于4Hz。本文結合某鋼箱梁人行天橋工程設計，計算分析出對鋼箱梁天橋自振頻率的影響因素，供鋼箱梁人行天橋設計者參考。

2項目概況

項目位于廣州市番禺區，為新建醫院配套過街天橋。天橋呈“工”字型布置，由于道路無中央綠化，主橋采用單跨簡支梁結構，垂直跨越地面道路。根據場地條件，梯道采用雙邊接地型式，在主梁兩端設置有四幅直線形樓梯。天橋采用1×30m簡支鋼箱梁，天橋凈寬為4m，總寬為5.3m。

3橋梁設計

3.1 主要材料

1）鋼材：主橋鋼箱梁Q355C。

2）鋼筋：HRB400、HPB300。

3）混凝土：樓梯、橋墩C40砼、承臺C35砼、樁基C30水下砼。

3.2 結構設計

主橋上部結構采用1×30m簡支鋼箱梁結構，標準橫斷面采用單箱雙室，梁高1.3m，橋寬為5.3m，主橋橋墩采用鋼筋混凝土板式墩，采用矩形加圓角變截面墩，主橋橋墩與鋼箱梁通過支座連接。鋼箱梁橫斷面如下圖所示。

4結構建模分析

4.1 荷載取值

4.1.1 恒荷載

1）結構自重：Midas civil 2019軟件自動計入，橫隔板通過節點荷載加載，按3KN計。

2）橋面鋪裝：9.6kN/m。

3）欄桿：1.1kN/m（單側）。

4）花槽：5kN/m（單側）。

合計：21.8KN/m

4.1.2 活載

1）根據《城市人行天橋與人行地道技術規范》第3.1.3.2條計算。

2）溫度荷載：整體升降溫±30℃。

4.2 結構計算分析

根據《公路橋涵設計通用規范》JTG D60-2015，簡支梁橋的

自振頻率計算公式為 ，影響鋼箱梁天橋自振頻率的因

素有橋梁跨徑，截面慣性矩以及質量。而在截面寬度一定的條件下，影響截面慣性矩有梁高、截面板厚、加勁肋，影響質量的因素有結構自重，橋面鋪裝、欄桿、花槽、雨棚等二期恒載，另外主橋的邊界條件也會影響主橋結構的自振頻率。本文通過運用Midas civil 2020計算不同工況下鋼箱梁結構的自振頻率，分析出各種因素對簡支鋼箱梁天橋影響程度，確定提高鋼箱梁天橋自振頻率的有效措施。

4.2.1 橋梁跨徑對鋼箱梁天橋自振頻率的影響

為研究橋梁跨徑對鋼箱梁天橋自振頻率的影響，運用軟件計算了1×30m、1×27m、1×24m三種不同跨徑下天橋的自振頻率。三種跨徑模型采用相同的截面、荷載及邊界條件，計算結果如下表所示：

從表1可以看出，隨著天橋跨徑的減少，天橋頻率增幅較大，且跨徑減少幅度越大，頻率增幅效果越明顯。因此，在滿足橋下功能的前提下，可通過減少天橋跨徑有效提高天橋的頻率。

4.2.2 梁高對鋼箱梁天橋自振頻率的影響

計算模型選取1×30m簡支鋼箱梁天橋，橋寬5.3m，在荷載及邊界條件不變的條件下，通過改變模型截面梁高計算出不同梁高情況下的鋼箱梁天橋自振頻率，計算結果如下表所示。

從表2可以看出，在其他條件相同的情況下，天橋頻率隨梁高的增加而增大，頻率增幅與梁高變化呈線性關系，增幅效果較明顯。因此，加大梁高是提高天橋頻率的有效途徑。

4.2.3 板厚對鋼箱梁天橋自振頻率的影響

同樣選取1×30m簡支鋼箱梁天橋，橋寬5.3m，梁高1.3m模型，荷載及邊界條件不變的情況下，改變鋼箱梁截面頂板、底板厚度，計算結果如下表所示。

從表3可以看出，板厚增加10%，頻率僅增加0.2%，鋼箱梁截面頂底板厚度對天橋的頻率有一定影響，但效果不明顯，在設計過程中，在滿足結構受力的條件下，應盡可能采用薄板，節約鋼材。

4.2.4 加勁肋對鋼箱梁天橋自振頻率的影響

計算選取1×30m簡支鋼箱梁天橋，橋寬5.3m，梁高1.3m模型，在其他條件不變的情況下，計算選取了肋高相同的板肋、T肋、U肋截面進行計算分析，計算結果如下表所示。

從表4可以看出，改變加勁肋形式對鋼箱梁天橋自振頻率頻率的影響非常小，在設計過程中，在滿足結構受力的前提下，應盡可能選擇構造簡單，施工方便的板肋。

4.2.5 二期恒載對鋼箱梁天橋自振頻率的影響

計算選取1×30m簡支鋼箱梁天橋，橋寬5.3m，梁高1.3m模型，荷載及截面不變的情況下，通過改變二期恒載的大小來分析二期恒載對天橋頻率的影響，計算結果如下表所示。

從表5可以看出，二期恒載對鋼箱梁天橋自振頻率影響較大，為提高天橋頻率，可取消天橋花槽、雨棚等非必要的二期恒載，天橋鋪裝盡量選取容重小、厚度薄的鋪裝形式。

4.2.6 邊界條件對鋼箱梁天橋自振頻率的影響

我們知道，改變天橋的邊界條件可提高天橋結構的剛度，天橋頻率也會受到影響，為研究不同邊界條件下，鋼箱梁天橋自振頻率的變化情況，計算選取了三種不同邊界條件的模型，均采用1×30m單跨鋼箱梁，其他條件不變，計算結果如下表所示：

從表5可以看出，邊界條件對鋼箱梁天橋自振頻率影響很大，固結天橋支點可大幅提高天橋自振頻率，但墩梁固結會使橋墩承受較大的彎矩，固結兩個支點主梁會產生較大的溫度應力，設計過程中應注意邊界條件的合理選取。

5結語

影響鋼箱梁天橋自振頻率的影響因素有很多，設計過程應結合工程實際情況合理選取橋梁跨徑、截面尺寸、邊界條件及橋面附屬結構形式。為提高天橋的自振頻率，可通過減少橋梁跨徑，加大梁高、減少二期恒載、墩梁固結措施有效提高天橋頻率。而鋼箱梁鋼板厚度及加勁肋形式對天橋自振頻率影響程度較小，從減少用鋼量，降低工程造價及方便施工的角度考慮，建議鋼箱梁采用較薄的板厚，采用構造簡單板肋。

參考文獻：

[1]中華人民共和國建設部.《城市人行天橋與人行地道技術規范》CJJ 69-95，1996.09.

[2]深圳市交通運輸委員會 《深圳市人行天橋和連廊設計指引》，2017.04.

[3]中華人民共和國交通運輸部.《公路橋涵設計通用規范》JTG D60-2015，2015，12.