某钢桁架人行桥自振特性测试及振动控制研究

温天宇，唐　堂

某钢桁架人行桥自振特性测试及振动控制研究

温天宇，唐堂

（江苏省交通规划设计院股份有限公司，江苏 南京 210014）

对某振感较大的钢桁架人行桥进行了自振特性测试，并利用有限元分析软件Midas Civil建立桥梁结构的空间分析模型，通过基于实测数据的模态分析结果与理论分析结果的比较，确定桥梁结构的刚度和自振频率是否满足规范要求，并对桥梁上部结构进行改造，通过增加结构刚度来改善桥梁的自振频率和振动特性，为此类桥梁类似问题的解决提供参考。

钢桁架；人行桥；振动控制；自振特性

随着我国城市化进展的加快和现代交通工具及设施的日益改善，城市交通网络得以不断的完善。为保证城市交通顺畅、行人安全，人行桥如雨后春笋般涌现，尤其是在车辆和行人较为密集的街区、城市干道上，目前运营的和在建的人行桥中钢桁架人行桥由于施工方便、造型优美而占有较大比例，是经常被采用的一种桥型，然而部分桥梁由于设计阶段考虑不周、施工质量不能保证、运营期间材质劣化等因素造成桥梁结构刚度及阻尼的降低，导致桥梁结构自振频率的不断减小，当结构的自振频率离人行步伐频率范围越近，行人在桥面通行时对桥梁振动越敏感，当结构的自振频率在人行步伐频率范围内时容易发生人致振动，不仅影响行人在桥面通行时的舒适性，甚至会引起恐慌［1］。

1　工程概况

某桥梁全长91.979 m，平面曲线半径330.955 m，竖曲线半径188.770 m，为5孔结构连续的钢桁架梁桥，跨径组成为（10.19+17.79+19.872+17.79+10.19）m；桥梁孔跨纵向由北向南依次编号为1#～5#孔，墩台依次编号为0#台、1#～4#墩、5#台。桥面全宽12 m，边孔桥面布置为0.7 m（花槽）+0.8 m（坡道）+2.5 m（人行道）+0.2 m（车挡）+3.6 m（非机动车道）+0.2 m（车挡）+2.5 m（人行道）+0.8 m（坡道）+0.7 m（花槽），中孔桥面布置为0.7 m（花槽）+10.6 m（人行道）+0.7 m（花槽）；上部结构为钢桁架梁，由工厂预制、现场拼接法施工完成，所用钢材为Q345；下部结构采用重力式墩台；桥面采用贾拉木板；设计荷载标准，人群荷载3.5 kN/m2。

该桥桁架纵向由3根钢管组成，上下层钢管间通过竖向、斜向钢管焊接连接；在上层钢管顶部焊接横向变截面大工字梁，共39片。桥梁全宽12 m，两侧悬挑段各长4 m，外侧高0.35 m、宽0.26 m；中间等截面段高0.5 m、宽0.26 m；在截面变化处与纵向钢管焊接，相邻大工字梁间各设置1片等截面横向工字梁，高0.15 m、宽0.15 m，与大I梁螺栓连接；在大I梁两侧悬挑段及中间段各有2道纵向小工梁，高0.2 m、宽0.1 m，与大I梁螺栓连接。桥梁布置如图1～图3所示。

桥梁于2004-09建成，至今已运营11年。桥梁位于文化水廊景区，人流量较大，在运营过程中，市民反映桥梁振感明显，尤其行人在桥面外侧悬臂区域行走时振感较强。

图1　桥梁平面图（单位：cm）

图2　桥梁立面图（单位：mm）

图3　桥梁横断面图（单位：mm）

2　模型建立

采用大型桥梁结构分析有限元软件Midas Civil建立本桥的空间结构分析模型如图4所示，其中I字梁与钢管均采用梁单元模拟，I字梁与钢管的焊接连接采用软件的刚性连接模拟，竖向支撑杆件采用桁架单元模拟，与钢管的螺栓连接采用软件的铰接连接模拟，桥面板、栏杆及花槽等作为二期恒载施加。通过软件的模态分析模块得到该桥的典型振型和自振频率如图5～图7所示。

图4　计算模型

图5　加固前上部结构理论第1阶竖向振型

图6　加固前上部结构理论第2阶竖向振型

图7　加固前上部结构理论第6阶竖向振型

将本桥各模态测点的加速度时程曲线进行频谱分析，选取典型的竖向振型如图8所示。

图8　上部结构实测竖向振型图

上部结构竖向自振频率实测值与计算值比较如表1所示。

表1　上部结构竖向自振频率实测值与计算值比较表

参照《公路桥梁承载能力检测评定规程》（JTG/ T J21—2011）第5.9.2条，宜根据桥梁实测自振频率fmi与理论计算频率fdi的比值，按表2确定桥梁自振频率评定标度，得到本桥自振特性评定标度如表3所示［2］：

表2　桥梁自振频率评定标准

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根据《城市人行天桥与人行地道桥技术规范》（CJJ69—1995）第2.5.4条：为避免共振，减少行人不安全感，桥梁上部结构竖向自振频率不应小于3 Hz［3］。本桥第1阶理论计算频率3.05 Hz接近于限值3 Hz，第1阶实测频率2.76 Hz小于限值3 Hz，且小于理论值，不满足规范要求，且上部结构实际刚度小于理论状态。第2阶频率实测值小于理论值，表明上部结构实际刚度小于理论状态。由于桥面中间为电动车道，行人一般行走在桥面外侧，即悬挑区域，而本桥外侧悬挑过大，所以行人在外侧悬挑区域行走时易引起外侧悬挑梁的振动，为提高桥梁上部结构刚度和自振频率，有效控制桥梁在行人通行时的振动，应对本桥进行改造，使结构自振频率避开人行步伐频率范围，避免发生共振。

3　结构体系改造

在2#～4#孔两侧悬臂段工字梁底焊接纵向钢管，并通过竖向支撑杆件将桥面人群荷载传递至下部结构，由于所焊接的纵向钢管规格及空间形状与原钢构件一致，故改造方案较好地保证了桥梁结构的景观协调性。横断面改造示意图如图9所示。

图9　横断面改造示意图（单位：mm）

4　钢桁架梁改造后的特征值验算分析

计算桥梁结构在增加纵向钢管和竖向支撑杆件后的理论计算自振频率，与改造前的自振频率相比较，判断桥梁结构在改造后的自振频率是否满足规范［3］的要求，是否较大地避开了人行步伐的频率范围：1.4～2.4 Hz（1阶）、2.8～3.5 Hz（2阶）［4］。

根据本桥改造施工方案，建立桥梁空间模型如图10所示，分析得到桥梁上部结构典型振型如图11所示。

图10　改造后桥梁的有限元分析模型

对比可知改造前后桥梁上部结构1阶振型频率由3.05 Hz增加至4.54 Hz，2阶振型频率由3.79 Hz增加至7.36 Hz，6阶振型频率由7.06 Hz增加至9.57 Hz，桥梁结构刚度得到较大提高。

图11　改造后上部结构理论6阶振型

5　结论

本文对某振感较大的钢桁架人行桥进行了自振特性测试，并利用有限元分析软件Midas Civil建立桥梁结构的空间分析模型，通过基于实测数据的模态分析结果与理论分析结果中的曲型振型的比较，确定桥梁结构的刚度和自振频率是否满足规范要求，并通过对桥梁上部结构进行改造，增加结构刚度来改善桥梁的振动与自振特性，为此类桥梁类似问题的解决提供参考。

［1］李雪超，程海根.钢桁架人行桥人致振动［J］.山西建筑，2012，38（34）：178-180.

［2］JTG/T J21—2011公路桥梁承载能力检测评定规程［S］.

［3］CJJ 69—95城市人行天桥与人行地道技术规范［S］.

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

Self-vibration Characteristics Test and Vibration Control for A Steel Truss Pedestrian Bridge

Wen Tianyu， Tang Tang
（Jiangsu Province Communications Planning and Design Institute Limited Company， Nanjing 210014， China）

This paper carried out a self-vibration characteristics test of a pedestrian bridge which appeared oversized vibration，and established spatial analysis model using finite element analysis software Midas Civil. Determination was made of the stiffness and free-vibration frequency about bridge structure whether meet and the requirements of standard， by comparing the modal analysis results based on the measured data with the theoretical analysis results. And the stiffness of structure was strengthened by the transformation of bridge superstructure to improve the natural frequency and self-vibration characteristics of bridge. It provided a reference for the solution of similar problem of this type of bridges.

steel truss；pedestrian bridge； vibration control； self-vibration characteristics

U441.3

A

1672-9889（2015）06-0021-04

温天宇（1981-），男，内蒙古人，工程师，主要从事桥梁检测与维修加固设计工作。

（2015-03-06）