钢结构人行天桥自振频率影响因素研究

钢结构人行天桥自振频率影响因素研究

王泽磊

（山东华科规划建筑设计有限公司，山东聊城，252000）

摘  要  城市化进程的不断加快对行人出行安全带来新的问题和挑战，城市道路交叉口往往都会修建人行天桥以保障行人的安全通行。钢结构人行天桥以其自重轻、强度高的特点被广泛采用，根据规范中频率设计法要求，其自振基频不能超过3Hz，这对人行天桥的设计提出了更高的要求。

本文以某一结构人行天桥为例，采用有限元结构分析方法，分别分析主梁参数、约束条件两项变量对人行天桥自振频率的影响，从而改善桥梁结构的合理性，提高结构的安全性和舒适度。

关键词  钢结构  人行天桥  自振频率  主梁参数  约束条件 

0 引言

钢结构在恒载和活载作用下，变形及内力易满足设计要求，因此在设计时一般重点考虑其动力特性[1-2]。如何优化钢结构人行天桥的设计，满足频率设计要求，对于保障桥梁结构和行人的安全具有重要的工程意义。

我国CJJ69—95《城市人行天桥与人行地道技术规范》提出的频率设计法规定[3]：人行天桥的竖向自振频率应不小于3Hz，因此文章以频率分析为主线，利用软件仿真分析，选取了梁高、跨径和约束条件几个参数，对钢人行天桥设计合理性展开研究，以期为同类桥梁设计提供借鉴意义。

1 频率设计法

人行天桥主要活载为人群荷载，人群荷载一般取5kN/m2，在组合条件，对结构产生的挠度和应力值也远小于允许值，具有较大的安全储备。根据桥梁的实际使用工况，正常行人的走步频率介于1.6～2.4Hz之间，为避免共振，提高行人的安全感，我国规范要求自振频率应不小于3Hz。综上，频率设计法是人行天桥的典型计算方法。对于钢结构人行天桥，在满足应力、挠度限制的基础上，通过调整钢结构梁体参数和边界约束条件，使梁体自振频率满足规范要求。

2 有限元建模

以某一字型简支钢箱梁人行天桥为例建模，天桥跨径为23.8m，钢箱梁净宽4.5m，两侧栏杆各0.15m，全宽4.8m。钢箱梁材料均采用Q355，梁高为100cm。桥面铺装为40mm厚CF40钢纤维混凝土。采用Midas Civil 2019有限元分析软件对全桥进行建模分析，定义自重荷载、二期恒载和人群荷载，将荷载转化为质量以便进行自振频率计算分析。

由理论公式可知，质量、跨径、弹性模量和截面惯性矩对自振频率均有影响，由于弹性模量为固定值，在此不做讨论。主要选取质量、截面的抗弯惯矩和桥梁跨径三个参数进行分析。考虑钢材容重为常量，故主要选取桥面铺装厚度及所用材料种类进行分析；对于截面惯性矩，主要选取钢主梁高度进行分析；桥梁跨径直接做参数分析。

3 主梁参数对基频的影响

3.1 桥梁铺装

有限元模型采用CF40混凝土铺装进行建模，分别改变铺装层厚度为15、20、25、30、35、40mm进行分析，将铺装荷载转化为质量进行分析。

随着混凝土铺装厚度的不断增加，桥梁结构的自振频率呈减小趋势，厚度按5mm等幅度递增，自振频率减小的幅度逐渐变小，但总体仍呈递减趋势。这是因为铺装虽然影响主梁的线单位质量，其厚度增加，质量随即增大。自振频率应减小，与理论计算规律吻合，但由于铺装层和梁体形成共同的受力整体，增加的厚度对于受力整体而言，实际上增加了主梁的高度，对主梁的截面抗弯惯矩具有贡献作用，因此，铺装厚度虽然均匀增加，自振频率的减小幅度在逐渐变小。

3.2 主梁高度

模型主梁跨度23.8m，宽度4.5m，高度1m。在此基础上，保持跨径和梁宽不变，铺装仍采用40mm厚CF40混凝土铺装。对主梁高度调动，建立0.6、0.8、1.0、1.2、1.4m共五种模型，分别求解其自振频率，并绘制其变化规律图，见下图（图1）。

由图1可见，原设计参数下基准模型的自振频率为3.35Hz，满足规范要求。随着主梁高度的增加，自振频率呈递增趋势。

图1 不同梁高对基频影响

梁高为0.6m和0.8m时，自振频率分别为1.64Hz和2.12Hz，均小于3Hz，不符合要求，这是因为主梁截面抗弯惯矩计算与梁高h相关，且影响显著。当梁高增加到1.2m和1.4m时，自振频率分别为5.42Hz和7.51Hz，较基准模型基频提高了61.8%和124.2%。因此，增加梁高可以有效提高钢结构人行天桥的自振频率，在桥梁设计时可以优先考虑调整梁高以改善主梁截面抗弯惯矩，增加结构自振频率，避免出现共振现象。

3.3 桥梁跨径

桥梁跨径为23.8m，控制其他材料、截面等参数不变，建立10、20、23.8、30、40m跨径模型，绘制自振频率随跨径变化折线图，如下图（图2）。

图2 不用跨径对基频影响

由图2可以看出，结构自振频率与桥梁跨径呈反比，且计算结果基本符合理论公式中跨径变化倍数的平方关系。总体而言，跨径越大，钢结构人行天桥的自振频率越小。

4 约束条件对基频的影响

钢结构人行天桥的边界约束条件一端采用固定支座，另一端采用活动支座，一侧固定支座约束能够有效改善主梁的刚度特性，另一侧采用活动支座能够有效释放温度应力。

若将另一侧支座约束改为固定约束，桥梁结构自振频率由3.35Hz提高至6.53Hz，提升幅度达94.9%，安全度更高，但不利于释放温度或沉降变形引起的内力作用。规范要求下，极限跨径和高度等设计参数不易修正的情况下，可以考虑将一侧墩梁直接固结，将会大幅改善结构刚度以满足设计要求。

5 结论

（1）钢结构人行天桥的自振频率受主梁参数的影响，包括铺装层厚度、梁高、跨径等，可以通过采用轻质铺装、减小铺装层厚度、增加主梁高度、减小跨径等方式提高桥梁基频，使其符合规范自振基频大于3Hz的要求，保证桥梁结构设计安全，避免共振。

（2）通过增加支座对主梁的约束可以提高自振频率，在临界条件下可考虑将墩梁固结。

参 考 文 献

［1］林海.人行天桥结构设计研究【D】成都：西南交通大学，2013.

［2］王旖澄，《城区闹市环境下人行天桥设计与施工》,【J】《中国市政工程》，2021(4):22－24+105.020.

［3］CJJ 69－1995，《城市人行天桥与人行地道技术规范》【S】;中华人民共和国建设部

附录：

王泽磊，男，1995年9月生，汉族，助理工程师，从事道路桥梁设计工作，手机：17763501669  E-mail:1345609576@qq.com

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