人行激励下人行钢箱梁桥时程分析★

杨 斌 申杨凡 续琦峰 王绍全 郭凯强 王艳琪 贾艳敏*

(东北林业大学土木学院，黑龙江 哈尔滨 150040)

人行激励下人行钢箱梁桥时程分析★

杨 斌 申杨凡 续琦峰 王绍全 郭凯强 王艳琪 贾艳敏*

(东北林业大学土木学院，黑龙江 哈尔滨 150040)

运用MIDAS/Civil有限元建模软件建立某桥有限元模型，对单人步行、双人结伴步行以及单人跑步三种基本工况的时程进行分析，得到各跨跨中最大变形值与内力值，并对不同工况数值进行对比分析，由单人跑步与双人步行可知，跑动时引起的冲击荷载对桥体的作用较大，在设计时应该综合考虑工况与桥体自身的相互影响。

人行钢箱梁桥，有限元模型，工况，时程分析

0 引言

随着我国城市交通系统的不断完善，人行钢箱梁桥的数目日益增多，人行钢箱梁桥以其轻质高强、易于施工的特点被广泛应用于工程建设中[1]。国内诸多学者对人行钢箱梁桥进行了不同方面的研究[2-5]。人行激励下的桥梁振动以及舒适度成为愈加重要的问题，时程分析是研究桥梁振动的基本方法，对考虑舒适度的桥梁设计也起着至关重要的作用。本文以哈尔滨某人行天桥为背景，运用MIDAS/Civil有限元建模软件建立有限元模型，对模型进行时程分析，得到桥梁各跨跨中的最大变形值与内力值以及各自发生的时间，在对这些数据进行分析后得到不同基本工况下的桥梁反应，为设计与研究提供参考。

1 有限元建模

1.1 工程概况

某人行天桥为两跨双悬臂钢箱梁桥，位于某中学附近，是行人过街的唯一选择。该桥总长60.55 m，跨径37.95 m+20.00 m，箱梁高度为1.20 m，桥面宽3.00 m。主箱梁采用Q235钢板，焊条为E43系列焊条，桥面铺装4 cm厚C30细石混凝土。图1为人行钢桥立面图及主箱梁横截面图。

1.2 建模方法

使用MIDAS/Civil对该人行天桥进行有限元建模。首先使用MIDAS/Civil自带的截面特性计算器对该人行桥截面特性进行计算，计算时采用薄壁截面Line形式。将计算好的截面特性通过MIDAS/Civil的PSC-数值导入功能导入。模型采用梁单元，边界条件按与实际情况较相符的两跨连续梁考虑(约束类型采用节点约束)。对桥梁施加自重作用，并考虑该人行钢箱梁桥的二期恒载(按均布荷载考虑)，使用“将荷载转换成质量”的功能将荷载转换成节点质量。用子空间迭代法对有限元模型进行特征值分析，得到周期与振型。图2为有限元计算模型。

2 时程分析

2.1 人行荷载的简化

单人行走时，右脚移动和左脚移动力—时间历程的叠加构成了单个人的双脚行走的完整的力—时间历程[6]。MIDAS/Civil中给出的时程荷载函数添加方法为由点构成的直线，根据文献[6]，在考虑单人行走的荷载时将其简化为折线，简化后的单人行走脚步力—时间历程如图3所示。

2.2 时程分析具体方法

按照人的正常行走速度为1.5 m/s考虑，通过该桥时间约为40 s,考虑到人通过后可能对桥体振动依然有影响，设定分析时间总长为60 s。时程分析的分析时间步长对结果的精确度影响很大。分析时间步长的大小与结构的高阶模态的周期和荷载的周期有密切的关系。通过考虑结构的高阶模态的周期来决定分析时间步长，选定第20阶振型的自振周期的1/10即约0.001 s作为分析时间步长，到模态20为止的振型参与质量的合计为91.46%，大于90%，因此认为对于竖直方向的反应，所参与的质量已经足够可以获得结构动力反应的主要特征[7]。分析方法采用振型叠加法，时程类型采用时程荷载函数不反复作用的瞬态，振型阻尼比按钢材0.04考虑。

2.3 单人步行时程分析

运行分析，可得到单人步行荷载下的内力及振动情况。各跨跨中的弯矩时程曲线、位移时程曲线和速度时程曲线，如图4～图6所示。

从图4的曲线形状可以得到行人通过时的桥体内力变化，行人在左跨行走时对右跨的影响要远大于行人在右跨行走时对左跨的影响，由图4～图6可以得到行人通过时的桥体振动情况。

2.4 对比分析

按照与单人行走相同的分析方法，分析双人结伴而行以及单人跑步通过时的变形及内力情况。图7为双人结伴而行的脚步力—时间历程简化图，图8为单人跑步通过的脚步力—时间历程简化图。表1为三种工况下位移与弯矩最大值对比表。

表1 各种工况下位移与弯矩最大值对比表

由表1数据可知，不同工况对变形及内力的影响有所不同，荷载的峰值大小、曲线形状以及冲击作用都是影响因素，而且桥梁本身的跨度差异也会对自身反应有所影响。比较三种工况的荷载曲线可知，双人结伴同行时脚步力增大并且由双人行走相关性引起了脚步力—时间历程曲线峰值的变化，单人跑步通过时具有一定的冲击荷载。这些原因引起了变形以及内力的变化，双人步行时左跨跨中的最大位移、最大弯矩、右跨跨中最大位移、最大弯矩分别比单人时增大5.9%，4.3%，6.3%，40.1%，单人跑动时分别增大9.1%，5.1%，40.8%，99.3%。综合以上数据可知，单人跑步的冲击力对桥梁的振动影响要大于由一定人数增加所引起的影响，可见行人跑动时的冲击力对变形及内力的影响较大；可以明显的看出右跨的最大弯矩在各种工况下增大都最为明显，说明较小跨度对荷载的反应更为敏感。

3 结语

通过对MIDAS/Civil有限元模型建立过程以及时程分析得到不同工况下的数据进行分析，得到以下结论：1)从单人行走下的振动可以明显看出跨度对桥体反应的影响，振动强度的大小受跨度大小的影响。2)各跨的变形及内力在单人跑动时的增长都大于双人步行时的增长，可见冲击力的作用要大于一定数量的人数增长荷载作用；各工况下右跨的弯矩增长都较大，说明较小跨度下内力对于荷载的变化更为敏感。

[1] 饶 波.大跨度钢箱梁人行天桥设计[J].桥梁结构,2009,2(2):30-32.

[2] 李 泉.多人随机行走激励下人行桥振动分析[J].计算力学学报,2010(10):27-30.

[3] 李红利.考虑荷载随机性的人行桥人致振动计算方法研究[J].湖南大学学报(自然科学版),2013(10):40-41.

[4] 李红利.人—桥竖向动力相互作用效应理论与试验研究[J].土木工程学报,2014(6):47-50.

[5] 傅学怡.时程频谱结合分析方法对展望桥人行舒适度的分析与控制[J].土木工程学报,2011(10):44-45.

[6] 陈政清.人行桥的振动与动力设计[M].北京：人民交通出版社,2009.

[7] 杨 超.爆破地震波作用下桥梁结构的安全评估[D].西安:长安大学,2009.

Analysis of time history for steel box girder bridge under the pedestrian excitation★

Yang Bin Shen Yangfan Xu Qifeng Wang Shaoquan Guo Kaiqiang Wang Yanqi Jia Yanmin*

(SchoolofCivilEngi.,NortheastForestryUniv.,Harbin150040,China)

Using MIDAS/Civil software to establish finite element model of the bridge. Then make the time history analysis of three kinds of basic working condition: one person walking, two person walking together, and a single run. Get maximum deformation and internal force value of every midspan. And comparing the analysis of different working conditions. Comparing single running and double walking, the impact load caused by running have a bigger role on the bridge. The phenomenon that the bridge and the person influence each other should be considered when designing.

pedestrian steel box girder bridge, finite element model, working condition, time history analysis

2015-04-07★:国家大学生创新训练计划项目(项目编号：201410225041)

杨 斌(1994- )，男，在读本科生； 申杨凡(1993- )，男，在读本科生； 续琦峰(1994- )，男，在读本科生； 王绍全(1993- )，男，在读本科生； 郭凯强(1992- )，男，在读本科生； 王艳琪(1992- )，男，在读本科生

贾艳敏(1962- )，女，博士，博士生导师，教授

1009-6825(2015)17-0150-03

U448.213

A