焊接工字钢结构人行天桥人致振动舒适度分析

焊接工字钢结构人行天桥人致振动舒适度分析

许会燕

（上海市城市建设设计研究总院（集团）有限公司，天津市，300381）

摘  要：本文以焊接工字钢结构人行天桥为研究对象，采用时域分析方法进行不同行人密度条件下的竖向人致振动舒适度分析，研究表明，人行天桥上部结构竖向自振频率小于3Hz时，行人舒适度等级仍可达到CL1等级，可为同类工程提供参考。

关键词：焊接工字钢结构；人行天桥；人致振动；舒适度

引言

钢结构桥梁通常具有大跨、轻盈、美观的结构特点，在景观需求较高的人行天桥中应用广泛。但钢结构人行天桥竖向刚度较小，结构自振频率较低，若竖向自振频率处于1.25~3Hz的敏感范围内，则与行人步伐一阶频率较为接近，将引起行人行走舒适性问题。

针对该问题，我国1996年颁布的《城市人行天桥与人行地道技术规范》[1]，要求天桥上部结构竖向自振频率不应小于3Hz，但并未对行人行走舒适性评价标准进行规范，导致钢结构人行天桥往往以刚度控制设计，材料强度利用不充分[2]。2017年，住建部在研究总结相关成果的基础上，对该规范进行修订，发布了《城市人行天桥与人行地道技术规范》（征求意见稿），补充了天桥结构人致振动及舒适度分析及评价的相关条文。

本文以焊接工字钢结构人行天桥为研究对象，采用时域分析方法进行竖向人致振动及舒适度分析，可为此类人行天桥工程提供参考。

1 工程概况

本工程人行天桥采用一字型布置，两侧设梯道与地面衔接。主桥全长43m，宽4.2m，跨径布置为(28+15)m。

主桥上部结构主梁采用焊接工字钢纵横梁结构，主纵梁采用双工字钢板梁结构，两侧各设置一道边纵梁，通过横梁连接形成纵横梁结构体系。桥面板采用钢筋桁架组合式桥面板，与钢梁之间采用剪力钉连接。

主纵梁梁高1400mm，上下翼缘宽度500mm，翼缘板厚22mm，腹板厚度14mm；边纵梁梁高900mm，上翼缘宽500mm，下翼缘宽400m，翼缘板厚22mm，腹板厚度12mm。

主横梁上下翼缘宽度400m，厚度22mm，腹板厚度20mm；次横梁上下翼缘宽度300m，翼缘板厚14mm，腹板厚度12mm。

2 人致振动舒适度分析方法

2.1 行人步行荷载模型

行人步行荷载可采用谐波荷载模型模拟。

对于桥上n个随机行人组成的行人流，可等效为n’个完全同步的行人组成的理想行人流：

行人密度：（个）  

行人密度：（个）  

将行人竖向荷载考虑为均布谐波荷载，如下式：

                      （1）

式中，——所分析竖弯模态的频率（Hz）；

——行人流等效人数（个）；

S——加载面积（m2）；

——考虑步频接近基频变化范围临界值的概率而引进的折减系数，按图1取值。

图1 折减系数（竖向）

2.2有限元模型

采用Midas civil建立动力分析三维有限元模型，上部结构采用纵横向梁单元模拟，人行天桥主桥上部结构动力分析有限元模型如下图所示。其中，不考虑主桥混凝土桥面板参与受力。

人行天桥主桥上部结构动力分析有限元模型

3 结构振型分析

采用Midas civil进行人行天桥结构振型分析，第一阶竖向振型如图2所示，振动频率为2.874Hz，位于竖向频率1.25~3Hz的敏感范围内，本文将对该桥进行人致振动舒适性分析。

图2 桥梁一阶竖向振型（2.874Hz）

4 人致振动舒适性分析

针对人行天桥结构的第一阶竖向模态，将人行竖向谐波荷载加载至对应的有限元模型上，采用时域分析方法进行人致振动分析。

行人密度分别为1.0人/m2和1.5人/m2时，桥梁跨中节点竖向加速度分别如图3、图4所示。

图3 桥梁跨中节点竖向加速度（行人密度1.0人/m2）

图3 桥梁跨中节点竖向加速度（行人密度1.5人/m2）

由上述可知，行人密度为1.0人/m2和1.5人/m2时，人行天桥主梁竖向加速度响应峰值分别为0.162 m/s2、0.199m/s2。根据《城市人行天桥与人行地道技术规范》（征求意见稿）行人舒适度评价标准（见表1）应高于CL3等级，宜达CL1等级，不同行人密度条件下本工程人行天桥行人舒适度等级均达CL1等级，舒适度评价为最佳。

行人舒适度评价标准

5  结  语

本文以焊接工字钢结构人行天桥为研究对象，基于人致振动舒适度分析原理，针对人行天桥第一阶竖向模态，采用时域分析方法进行不同行人密度条件下的人致振动及舒适度分析，结果表明，天桥上部结构竖向自振频率小于3Hz时，天桥结构行人舒适度等级仍可达到CL1等级，舒适度评价为最佳，可为同类桥梁提供参考。

参考文献：

[1] 城市人行天桥与人行地道技术规范：CJJ 69—1995 [S].

[2] 乐小刚.城市人行天桥舒适性设计标准探讨[J].中国市政工程,2016,189(6):23-28.

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