基于舒适性的人行天桥振动评价应用

赵力国 许金玉 顾大鹏

(1.中交第一公路勘察设计研究院有限公司，陕西 西安 710075； 2.北京国道通公路设计研究院股份有限公司，北京 100053)

基于舒适性的人行天桥振动评价应用

赵力国1许金玉2顾大鹏2

(1.中交第一公路勘察设计研究院有限公司，陕西 西安 710075； 2.北京国道通公路设计研究院股份有限公司，北京 100053)

针对大跨径人行天桥振动评价问题，对比了国内外关于天桥振动问题的规定，对某天桥方案进行了动力分析，并采用德国规范对该桥的人行舒适性进行了评价，指出该桥能达到行人的舒适性标准要求。

人行天桥,动力分析,舒适性评价，荷载

0 引言

随着我国城市建设飞速发展，人行桥在我国交通建设中得到了广泛应用。近年来随着科技进步，人行桥也向纤细美观的方向发展，越来越多的天桥采用轻质高强材料和特殊的造型。随之而来的问题是人行桥因振动而不满足舒适性要求，国内规范要求满足频率要求，避开行人步频，避免发生共振。而对于一些大跨径钢桥较难满足要求，且为满足要求而增大的梁高和增设的桥墩不经济且效果不明显。

1 工程概况

该天桥为某高速公路扩建工程中新建天桥。桥梁结构形式：主桥及引道桥均为等截面钢箱连续梁，基础为钻孔灌注桩及刚性扩大基础。

1.1 设计标准

1)荷载标准。

设计人群荷载:5 kN/m2，地震动峰值加速度：0.20g。

2)净空标准。

主桥下方高速公路主、辅路净空均大于5 m。

3)宽度标准。

主桥:全宽4.0 m，净宽3.6 m，地袱宽2×0.2 m。

梯道引道桥。

全宽3.0 m，中间台阶踏步宽1.9 m，两侧自行车带宽2×0.45 m。

坡道引道桥：全宽3.0 m，步道宽2.8 m，地袱宽2×0.1 m。

4)桥梁纵坡。

主桥:梁底竖曲线半径500 m。

1.2 桥梁结构

主桥为3孔(20+45+31.5)m全焊等截面钢箱梁连续梁，箱梁水平投影总长99.5 m。主梁截面为单箱单室，梁高1.0 m，腹板间距为2.5 m，悬臂长0.75 m，全宽4 m。焊接钢板采用Q235qD钢，顶、底板、腹板厚为16 mm。主梁箱室内设置加劲肋及横隔板。立面布置为竖曲线加直线，梁底竖曲线半径R=750 m。

梯道引道桥为钢箱连续梁，截面为单箱双室，梁高0.3 m，标准跨径9.2 m，箱梁顶板即为台阶踏步，踏步宽0.40 m，高0.10 m。

坡道引道桥为钢箱连续梁，截面为单箱双室，梁高0.4 m，标准跨径14 m。

桥型布置图见图1。

2 动力分析

计算采用 Midas软件对桥梁结构进行分析计算。根据此人行桥的结构构造特点，单位采用kN，m，s制，全桥离散为104个单元，110个节点。材料定义为线性各向同性Q235，弹性模量为2.1×108kN/m2，泊松比为0.3，材料密度为78 kN/m3。边界约束条件为：中跨支座处设置铰支座，其余设置滑动支座。模型如图2所示。

人行桥人致振动与结构的自振特性相关，只有激振频率和自振频率相当才会发生共振，所以，需要分析桥梁结构的动力特性。考虑本桥的振动情况，只考虑全桥的竖向振动，桥梁的振型如图3所示。

从图1～图3中可以看出该桥如果按照1.0 m梁高计算结构不能满足我国天桥设计规范要求，fv，0=2.52 Hz<3.0 Hz。

3 人行桥振动舒适度评价

在对现有的人体振动舒适度评价方法进行总结研究的基础上，提出一种适合计算分析人行天桥人群荷载和振动评价方法。

3.1 人行荷载的力学模型

人群在桥上行走时，人行荷载也是一种周期性荷载，通常人行荷载只引起较小的振动响应；但当人行桥上人流量较大时，由于侧向力频率与桥梁横向基频接近，从而引起人群调整步伐以适应振动，“集体同步”现象。这种现象是十分危险的，多数人致振动破坏天桥均为该种情况，为研究人行荷载，以欧洲规范相关规定进行了研究。

参考了英国规范、欧洲规范[1]等，本文采用德国人行桥设计指南[2]将行人进行了交通等级划分，如表1所示。

表1 行人交通等级和密度

根据我国特点，考虑人—桥相互作用效果之后，参考德国规范，作用在人行桥上的人行荷载为：

p(t)=P·cos(2πfv,0t)·n′·ψ

(1)

式中：n′——与桥上自由行走的n个人的效应等效的同步行走人数；

P——荷载幅值，见表2；

ψ——考虑行人步频接近结构基频变化临界值引起的折减系数，具体取值见图4。

表2 荷载模型中P的取值

3.2 舒适性评价指标

人体舒适性是一个复杂的评价体系，目前，国内外还没有统一的舒适度指标，但国内外已经有相关的标准和规范中有类似的评价指标。如，铁路列车的Janeway舒适度系数、欧洲ECCS规范指标、ISO10137规范指标、英国规范BS5400和我国列车车体加速度指标等。

综合现有关于舒适度指标值的研究采用英国规范BS5400[3]要求竖向的响应峰值加速度允许值为：

(2)

其中，fv,0为结构竖向振动基频。

3.3 舒适性评价

在计算人行天桥结构固有频率时，参考了文献[4]给出的结论：当行人的模态质量大于桥梁主梁模态质量的5%时，应在计算动力特性时计入行人的质量。经过计算如果按照四等交通状态进行核算，本桥行人的模态质量大于桥梁主梁模态质量的14%，因而计算考虑行人的模态质量，则桥梁基频fv,0=2.12 Hz。

采用Midas软件对结构进行了时程分析，对于时程分析比较重要的部分是确定结构阻尼比，参考已有研究成果，考虑到本工程属于钢结构，参考文献[5]给出的国外规范和人行桥阻尼比实测结果，其中钢结构人行天桥的平均阻尼比约为 0.4%。本结构采用阻尼比为0.4%。

单人荷载采用德国规范规定的人群荷载，取第四等级进行验算得到：

p(t)=P·cos(2πfv,0t)·n′·ψ=0.094·cos(2πfv,0t)(kN)。

4 结语

本文以北某天桥工程设计为依托，综合研究了国内外对大跨度人行天桥振动舒适性的评估标准，对结构进行了动力分析，给出了工程的舒适性评价，说明德国规范的舒适性评价对大跨度钢天桥振动评价相对更为合理。

[1] European Committee for Standardization.EN 1990:2002/ A1:2005.Euro code Basis of structural design. Application for bridges[S].

[2] EN 03，Design of Footbridges-Guideline[S].

[3] BS 5400，steel，Concrete and Composite Bridges，UK：British Standards Association[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.

[5] Bachmann H. Human response to vibrations[C]. Institute of Structural Engineering,ETH:Vibration Problems in Structures:Practical Guidelines.Basel,Birkhäuser Verlag,1995.

Abstract: According to the vibration evaluation of the large-span pedestrian overpasses, the paper compares the regulation on the overpass vibration at home and abroad, undertakes the dynamic analysis of some overpass scheme, undertakes the evaluation of the pedestrian comfort in the regulation of German, and points out the bridge can meet the comfort standards.

Key words: pedestrian overpass, dynamic analysis, comfort evaluation, loading

On vibration evaluation of pedestrian overpasses based on comfort

Zhao Liguo1Xu Jinyu2Gu Dapeng2

(1.CCCCFirstRoadSurveyandDesignInstituteCo.,Ltd,Xi’an710075,China; 2.BeijingGuodaotongHighwayDesignandResearchInstituteCo.,Ltd,Beijing100053,China)

2016-03-15

赵力国(1984- )，男，工程师； 许金玉(1971- )，女，高级工程师； 顾大鹏(1985- )，男，高级工程师

1009-6825(2016)15-0171-02

U443.15

A