钢结构人行桥梁振动分析

于松马

摘    要：随着城市的发展，住宅及商圈的密集，人行专用过河及过街桥梁需求不断增加，尤其钢结构人行桥有建设周期短、对既有交通影响小的优点，被广泛采用。结合两座钢结构人行桥的设计实例，探讨了钢结构人行桥设计在实践中涉及到的结构安全、振动频率和人行舒适度等问题，以供对此类人行桥设计人员参考借鉴。

关键词：钢结构桥梁;人行桥梁;自振频率;桥梁设计

中图分类号：U448.131.3                  文献标识码：A                    文章编号：2095-7394（2018）06-0020-06

随着城市的发展，住宅及商圈的密集，人行专用过河及过街桥梁需求不断增加，尤其过街天桥往往建在现有道路之上，通常钢结构人行桥为首选。钢结构桥梁有建设周期短、对既有交通影响小、结构厚度薄等优点，不仅能满足交通功能的要求，还能满足人们审美视觉的要求。但是钢结构桥梁存在自重轻、跨度大、体系柔、自振频率低等缺点，当人行桥一阶竖向自振频率与行人激励频率接近时，会引起共振，使得行人产生不舒适感和不安全感。下面结合笔者参与的一些设计实例，探讨钢结构人行桥在设计中应考虑和注意的问题。

1    桥梁自振频率的规定

行人的正常行走步频介于1.6（慢走）～2.4Hz（快走），其二阶步频在2.8～4.8Hz。因此，在竖向自振频率2Hz左右的桥上，由于自振频率与行人步频接近，容易产生共振。[1]日本学者统计到的行人步频见表1。

为了避免出现共振，不同规范对结构的频率进行不同的限制。瑞典国家规范Bro2004认为，竖向基频应大于3.5Hz;欧洲国际混凝土委员会规范CEB（1993）和瑞士规范SIA160（1989）均建议避免使结构的竖向振动固有频率落在1.6～2.4Hz和3.5～4.8Hz的范围内;日本道路协会仅要求竖向频率不应落在1.5～2.3Hz;英国规范BSI（1975）、加拿大安大略省规范OHBDC（1991）及欧盟的Eurocode等规范规定桥梁竖向基频超过5Hz时结构的振动舒适性能满足要求;我国《城市人行天桥与人行地道技术规范》（CJJ 69—95）规定不宜小于3Hz。[2]

2    工程实例

2.1   实例一

常州BRT二号线工程在古运河怀德桥现有老桥两侧各新建一座人行及非机动车桥，跨径组合为3m x 20m，每幅桥总宽7m。详见图1至图3。

桥梁上部采用3跨3m x 20m钢梁，横向共设置4片工字钢梁，横向间距2m，纵向间隔4m设置一道横梁;纵梁梁高65cm，钢材采用Q345钢板，顶、底板厚度25mm，腹板厚度12mm;上设8mm厚钢桥面板，上浇注8cm厚混凝土铺装层，桥面设置1cm厚塑胶面层;桥墩台均采用桩接盖梁形式;支座均采用GJZ系列板式橡胶支座。

经建模计算，纵梁钢梁最大应力为118MP，采用Q345钢材强度较富裕（如图4）。一阶竖向自振频率为3.10Hz（如图5），能够满足规范不小于3Hz要求，但富裕度不多。

该桥建成后，由于桥梁为行人及非机动车混行，尤其电动三轮车通行时，桥梁震动较大，人行舒适感欠佳。后重新修改模型计算，将桥墩支座改为固结形式（如图6），桥梁自振频率可提升至3.54Hz，人行不舒适感应该会有所改善。从本次设计中，笔者吸取了经验教训，为以后钢结构人行桥设计提供借鉴。

2.2   实例二

常州南大街铁市巷天桥平面为L形，跨径组合为16.5m+15.2m+22.9m+8.78m，天桥总宽4.3m。详见图7至图9。

上部结构采用焊接连续钢箱梁，中心梁高0.9m，箱梁底宽1.2m，顶宽2.9m，两侧各悬臂70cm，侧面采用弧线钢板装饰;钢材采用Q345钢板，顶、底板厚度25mm，腹板厚度12mm;上浇注8～10cm厚混凝土铺装层，桥面设置1cm厚塑胶面层;桥墩均采用φ0.8m钢管混凝土立柱，与上部结构箱梁焊接固结。

经建模计算，纵梁钢梁最大应力为138MP，采用Q345钢材强度较富裕（如图10）。一阶竖向自振频率为4.37Hz（如图11），能够满足规范不小于3Hz要求，富裕度也较大。

该天桥建成，仅为人群通行，实测桥梁震动适中，人行舒适感较好，采用墩梁固结形式，有效提高了桥梁自振频率。

3     结果分析

桥梁结构的竖向自振頻率反应着结构固有的动力特性（连续梁桥估算公式：[f=13.6162πl2EIcmc]及[f=23.6512πl2EIcmc]）[3]，它取决于自身的质量和刚度，因此，直接增加刚度及减小质量是提高频率的基本方法;也可采取以下几种措施提高结构自振频率：墩梁固接、采用大直径桩基础、增强基础刚度、增大墩柱截面及刚度、增加梁高、增加钢板厚度、增加钢梁底缘宽度和梁面上采用变截面布置。[4]实例二中钢板厚度、梁高、立柱直径、箱梁底宽变化对自振频率的影响对比见表2～5。由对比表格可知，增加梁高或钢板厚度时，梁体刚度和质量均增大，但自振频率提高的不显著，除非梁高和钢板厚度增加很多，但从经济上不合理，其它的提高措施可按实际情况采用。

4     结语

通过以上两座钢结构人行桥的设计分析，钢结构人行桥设计在遵循城市人行天桥与人行地道技术规范的前提下，应考虑或注意以下5点。

（1）桥梁主梁承载能力及应力很容易满足规范要求，并且富裕度较大，但自振频率比较难满足规范要求或富裕度不大。

（2）对主梁梁高及钢板厚度不能一味地增加，结合总体景观设计，通过计算对比选取最优方案。

（3）充分利用下部结构对主梁的影响，有效的增大自振频率。

（4）通过梁单元模型及有限元模型进行对比，更准确的对模型进行分析，确保结果的准确性。

（5）若自振频率富裕度较小或不能满足规范要求，可采用增设阻尼器等方法改变频率，提高行人的舒适度。

同时，我国规范对行人舒适性的规定还不够全面，设计人员在设计时也应参考一些国外规范及实例，以人为本，尽量提高行人的舒适度。

参考文献：

[1] 邓德伦.钢箱梁人行天桥自振频率的影响因素研究[J].工程建设与设计，2014（3）：87-88.

[2] 建设部.城市人行天桥与人行地道技术规范CJJ69-95[ S].北京：中国建筑工业出版社，1996.

[3] 交通运输部.公路桥涵设计通用规范JTG D60—2015 [S].北京：人民交通出版社，2015.

[4] 饶波.大跨度钢箱梁人行天桥设计[J].城市道桥与防洪，2009（2）：30-32.