某人行天桥的动力特性测试与分析

张鹏梁

(总参谋部管理保障部，北京 100082)

近年来，随着我国城市交通日趋发达，为提高城市路网的通行能力、确保行人过街安全、方便，城市人行过街设施的建设日益增多，其中主要的就是人行天桥的建设。城市人行天桥的建设对实现人车分流、提高机动车通行能力、改善交通管理状况、保障行人安全等有良好的交通和社会效益，同时，相比传统的车行立交桥，人行天桥投资少、收益大，更易获得较好的景观效果，因而越来越受到城市建设部门的重视。然而随着人行天桥建设量不断增加，人行天桥出现质量和设计问题屡见不鲜，往往造成维修和改造浪费大量经费，严重的还会造成人员伤亡，因此人行天桥的安全性和舒适性也越来越受到人们的关注。本文以某人行天桥为对象，对其动力特性进行了测试与分析，对人行天桥的设计、施工、使用和维护具有参考价值。

1 人行天桥概况

某人行天桥，为某小学扩建工程的配套工程，用以连接新校区三层楼面和老校区操场，便于师生往来于新老校区之间。该人行天桥为单跨钢结构简支梁桥，全长为30.89 m，净跨长度为27.5 m，全宽为4.2 m，净宽为4.0 m，桥下净高为5.0 m。梁部为等截面钢箱梁，由钢板焊接组合而成，梁高0.9 m，箱梁顶宽4.2 m，底宽2.1 m，顶板、底板、腹板和墩顶加密横隔板采用Q345qc钢，其余部位均采用Q235qc钢。设计荷载为人群荷载4.0 kN/m2，地震动峰值加速度为0.05g。使用过程中，有老师、学生和家长反映该人行天桥在正常使用过程中振动感比较明显。

2 动力特性测试

2.1 测点布置

在动力荷载现场试验测试中，使用2个 DH-105(单向)和1个YD25(X/Y/Z三向)传感器，利用502胶直接粘结桥面中央位置处，测量各荷载工况下桥面的竖向和横向加速度响应，共计5个测点，分别位于1/4跨点、1/2跨点和3/4跨点的桥面中央。各测点布置及编号如图1所示。

图1 测点布置图

2.2 荷载工况

针对该桥存在振感较大的问题，采用脉动法(环境激励)和强迫振动法(行走、跳跃激励)对该桥进行动力特性现场测试。脉动法采用桥面无人通行情况下的车流环境激励，强迫振动法以一个人在跨中区域桥面的跳跃，单人和双人以正常速度行走通过桥面作为激励。测试工况见表1。

表1 桥面振动测试荷载工况

2.3 测试结果

2.3.1 加速度时程及频谱结构

图2给出了利用通行车流的环境激励下，桥面跨中竖向加速度响应时程及其频谱结构。可以看到，在环境激励下桥面竖向振动响应主要以一阶振型和二阶振型为主。

图2 环境激励下跨中加速度响应及频谱

图3 单人行走激励下跨中加速度响应及频谱

图3给出了单人以正常速度行走通过桥面激励下，桥面跨中竖向加速度响应时程及其频谱结构。可以看到，在单人行走激励下桥面竖向振动响应主要以一阶振型和二阶振型为主。

图4给出了双人以正常速度行走通过桥面激励下，桥面跨中竖向加速度响应时程及其频谱结构。可以看到，在双人行走激励下桥面竖向振动响应主要以一阶振型和二阶振型为主。

图4 双人行走激励下跨中加速度响应及频谱

图5给出了单人在跨中区域桥面跳跃激励下，桥面跨中竖向加速度响应时程及其频谱结构。可以看到，在跳跃激励下桥面竖向振动响应主要以一阶振型为主。

图5 跳跃激励下跨中测点加速度响应及频谱

2.3.2 箱梁的自振频率

数据分析采用较大重叠率和较多的平均次数以改善信号频谱分析的精度，对各荷载工况激励下各测点加速度响应的模态进行辨识，表2给出桥体箱梁的自振频率实测值。综合各荷载工况下的振动响应频谱结构容易看出，桥体箱梁的竖向振动主要是以一阶振型和二阶振型为主。

表2 桥体箱梁自振频率 Hz

2.3.3 桥面最大加速度

人行天桥的频率问题与行人舒适度有密切关系。但是实际上，对频率的要求是以加速度限值为基础的，在各荷载工况激励下桥面最大加速度实测值如表3所示，可以看到，桥体箱梁在单人行走激励、双人行走激励和跳跃激励的荷载工况中，测得的桥面最大加速度峰值均较大地超过人体感觉舒适度的要求，因此桥面振感明显。

表3 桥面最大加速度 m/s2

3 结果分析

1)该人行天桥的振动主要为竖向振动，以一阶振型和二阶振型为主，扭转振动不明显。人行天桥桥体箱梁的一阶竖向自振频率实测值为3.418 Hz，虽满足CJJ 69-95城市人行天桥与人行地道技术规范第2.5.4条“为避免共振，减小行人不安全感，天桥上部结构竖向自振频率不应小于3 Hz”的要求，但提示出该桥在竖向平面内刚度冗余度较小。2)在桥面无人跑步行进，且步行行人不多的条件下，测得单人行走激励下的桥面最大加速度幅值为0.891 m/s2，该值超过了人体感觉舒适度的要求，桥面上的振动感和不舒适感明显。当有少量行人(≤2人)在桥面正常行进的条件下，测得双人行走激励下的桥面最大加速度幅值为1.006 m/s2，桥面振感十分明显，特别是由于桥体箱梁基频较低，桥面加速度响应时程曲线局部具有“拍”现象的趋势。主要是构造上桥体箱梁横隔设置不尽合理，支座段密而跨中段稀，且设置的纵向加劲肋厚度和间距偏弱。3)由于该人行天桥基频较低，基本处于人体行走或者跑步的频率范围(2.0 Hz～3.0 Hz)，容易形成拍振现象，加之正常使用状态下的桥面振感明显，长期使用造成的应力疲劳会对主体结构的安全性造成隐患。4)为保证该人行天桥正常使用状态下的动力性能，建议在桥梁跨中部位设置扁柱支撑或进行增加竖向刚度的构造措施，并对箱梁钢结构和焊缝进行一次全面的探伤检查。

4 结语

本文对某人行天桥进行了现场动力荷载试验，简要介绍了人行天桥动力特性的测试方法，通过分析该人行天桥的自振频率和桥面最大加速度，了解该桥的振动规律和实际工作状态，指出了该桥存在的问题，并提出了相应的加固、改造措施，为今后评估该桥体结构性能演变，正常使用、维护和管理提供基础参照和科学依据，为类似结构形式的人行天桥设计、施工、使用和维护提供参考。

［1］廖顺庠.人行天桥的设计与施工［M］.上海：同济大学出版社，1995.

［2］CJJ 69-95，城市人行天桥与人行地道技术规范［S］.

［3］金飞飞.轻质FRP人行天桥的动力特性研究［J］.工业建筑，2009(sup)：279-282.