大型环形人行天桥设计影响因素分析

谭兴丰，吴立峰， 陈立一

(温州设计集团有限公司,浙江温州 325000)

大型环形人行天桥设计影响因素分析

谭兴丰，吴立峰， 陈立一

(温州设计集团有限公司,浙江温州 325000)

基于某大型钢结构人行天桥的设计,采用有限元计算软件分析,通过对跨径、梁高、边界条件及结构形式等影响因素进行分析,定性分析相关因素对天桥结构的自振频率影响,并得出一些结论和意见,对大型环形天桥及其类似工程的设计计算具有一定的借鉴意义。

人行天桥；有限元分析；自振频率；影响因素

0 引言

随着城市化进程的推进,城市交通的发展,单纯依靠平面交通已不能满足整体需求,交通安全也存在较大隐患,为保证行人的安全、车辆行驶的顺畅,更多的倾向于采用立体交通解决行人过街,而在立体交通的选择措施上,人行天桥的设计也越来越被重视。本文主要从大型环形人行天桥的设计角度出发,阐述相关影响因素的选择,天桥的平面布置形式主要有工字形、圆形、椭圆形、X形、丁字形和U形等,结构的材料主要有混凝土、钢结构、铝合金等。

该文介绍的天桥地处道路十字交叉口,平面布置采用椭圆形,主桥材料采用钢结构箱梁,天桥最大跨径33.85 m,重点进行天桥设计过程中影响因素的分析。

1 工程概况

天桥位于温州市某商圈,上跨城市主干道与城市次干道十字交叉口,主干道呈东西走向,次干道呈南北走向,主干道横断面布置为6.5 m(人行道)+ 3.5 m(非机动车道)+ 20.0 m(车行道) + 3.5 m (非机动车道)+ 6.5 m(人行道)=40.0 m；次干道横断面布置为5.0 m(人行道)+ 3.0m(非机动车道)+ 12.0 m(车行道) + 3.0 m(非机动车道)+ 5.0 m(人行道)=28.0 m,全桥共设置八个桥墩,桥墩墩柱宜布置在人行道范围内,天桥采用单跨跨越主干道和次干道,2#和5#桥墩之间最大跨径为33.85 m。天桥桥位平面图见图1。

图1 天桥桥位图

2 结构计算及模型

全桥采用钢结构施工,主要优点是施工较为方便快捷,对道路交叉口交通影响较小,主体结构采用工厂分段加工制作,工艺成熟,工地现场施工工作量较小,施工质量更有保证；钢结构自重相对混凝土结构自重较轻,可节省下部结构工程造价。本桥横断面采用单箱单室钢箱梁,布置形式为0.5 m (种植槽)+0.25 m(栏杆)+4.0 m(人行道)+0.25 m(栏杆)+ 0.5 m(种植槽)=5.5 m。

依据文献［1］第2.5.4条规定：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3Hz。根据以往工程设计经验,通常由结构自振频率控制天桥设计,首先对结构自振频率进行分析计算,根据自振频率计算结果,选择适当的结构高度,再进行结构变形、强度等相关计算。文献［1］第2.5.2条规定：天桥上部结构,由人群荷载计算的最大竖向挠度不应超过梁板式主梁跨中L/600的限值。天桥计算结果主要以自振频率和人群荷载最大竖向挠度两项指标来控制,辅助以最不利工况下构件最大竖向挠度控制指标,根据以往工程计算,构件强度等指标在满足前面指标的情况下基本能满足规范要求。

2.1 计算模型

采用有限元分析软件MIDAS2012对天桥结构进行分析,主桥结构采用梁单元模拟,天桥计算以最大跨径33.85m为控制桥跨,通过选取不同的主梁结构高度、主梁环形闭合与否、边界条件等相关因素进行分析,整体模型见图2。

图2 天桥结构有限元模型图

2.1.1 主梁结构高度

根据现状分析,结合落墩位置,天桥平面采用椭圆形布置,设置八个桥墩,梁高选取1.1～1.5 m共计五个梁高断面形式,分别分析天桥自振频率、人群荷载最大竖向挠度、最不利工况下构件最大竖向挠度三项主要控制指标,具体结果见图3-图5。

图3 结构自振频率图(单位:Hz)

图4 人群荷载最大竖向挠度图(单位:mm)

图5 不同梁高对应的计算结果

计算结果表明,自振频率随着主梁梁高的增大相应增大,即随着梁体结构惯性矩的增加而增大,与理论结论吻合。规范要求自振频率大于3 Hz即可,结合人群荷载最大竖向挠度和最不利工况构件的最大竖向挠度,择优选取1.3 m梁高为计算梁高。

2.1.2 主梁环形闭合与否

天桥平面布置为椭圆环形结构,在结构选型上可考虑整体闭合连续梁或者对称在3#和6#桥墩顶设置开口形成两幅连续梁。针对两项不同的结构分析计算结果,结果数据见表1。

表1 环形闭合与否对应的计算结果

计算结果表明,局部开口形成两幅连续梁的情况下结构竖向挠度较整体闭合连续梁较大,而自振频率较整体闭合连续梁小,因为闭合结构上部梁体整体性较好,在弯矩、剪力等内力反应上能起到一定的削峰效果,结构受力较好,与理论分析吻合。局部开口结构虽然在开口位置能释放局部的应力,但整体性没有闭合结构好,择优选取闭合连续梁结构。

2.1.3 边界条件

主梁边界条件通过选用不同的约束条件模拟支座的选型,经过对比分析最终确定4#和5#桥墩支座采用固定和单向活动支座,其余墩顶支座采用单向活动支座和双向活动支座。如选用墩梁固结,虽然通过增加下部结构的合成刚度,可以提高整体结构的自振频率,但在梁体受力过程中,特别是温度应力的影响,梁体需要释放法向应力,导致对下部结构刚度要求很高,因此下部结构需要做成粗大结构方能抵抗强大的法向应力,而结合温州实际的软土地基现状,通过墩梁固结增加下部结构的合成刚度从而提高整体结构的自振频率效果较差,择优考虑主梁边界条件为部分释放法向约束。

3 相关因素综合分析比较

(1)结构跨径对自振频率影响明显,跨径与自振频率成反比,跨径减小自振频率相应增加,因为天桥总体布置基本是在已有的建筑物限制范围内实施,跨径因素基本已明确,仅能在其他因素调整余地较小的情况下,综合考虑跨径因素。

(2)结构质量对自振频率也有一定的影响,质量越大,自振频率越小,因此结构自重需综合考虑纵向、横向等加劲肋板的重量,否则计算结果偏于不利。

(3)通过计算结果表明,结构梁高与自振频率成正比,提高结构梁高,增加梁体刚度,增大梁体结构惯性矩,对结构自振频率影响最大,在满足自振频率的前提下,择优选取梁体结构高度。

(4)结构体系采用环形闭合连续梁还是局部开口两幅连续梁对自振频率和结构受力影响较小,仅从全桥整体性考虑分析,优选环形闭合连续梁。

(5)边界条件对自振频率影响较大,但由于温州的软土地基的现状,通过增加下部结构的合成刚度来提高结构的自振频率,将对下部结构提出很高的要求,效果较差。

(6)其他辅助措施,比如消能减振设备TMD或MTMD的应用也可改善结构的使用性能。

综上所述,在已有的建筑布局内布置天桥结构时,应尽可能采用连续梁结构,并尽量减少跨径,减轻梁体自重,在全面考虑梁体自重和外部荷载的情况下,使自振频率满足规范要求；必要时可通过增加结构高度、改变边界条件等方式适当增加自振频率,也可辅助采用消能减振的措施和设备。

4 结语

以大型环形天桥为工程背景,利用有限元分析软件,分析不同跨径、不同梁高、不同边界条件、不同结构形式等相关因素对自振频率的影响,并将有限元计算结果同理论分析相结合,定性分析相关因素对自振频率的影响,对大型环形天桥及其类似工程的设计计算具有一定的借鉴意义。

［1］ CJJ69-95,城市人行天桥与人行地道技术规范［S］.

U448.11

B

1009-7716(2015)09-0098-03

2015-04-02

谭兴丰(1982-)，男,浙江湖州人,工程师,硕士研究生,主要从事市政桥梁设计与加固设计工作。