經(jīng)驗介紹:鋼結(jié)構(gòu)人行天橋豎向振動舒適度分析
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作者：李斌
本文以實際工程一一青島市某人行天橋為例，分析其舒適度，并對結(jié)構(gòu)設(shè)計進行優(yōu)化。
1橋梁人行荷載模型
目前人行荷載數(shù)學(xué)模型尚處于研究階段，根據(jù)現(xiàn)行研究成果，人行荷載模型分為多種類型。其中時域模型中有確定性荷載模型和概率性荷載模型兩類，前者可用于設(shè)計中，后者應(yīng)用于科研。國外基于設(shè)計的人行荷載模型主要有兩種，分別為英國BS 5400及德國人行天橋設(shè)計指南EN 03。
1.1英國BS 5400
英國BS 5400求橋梁結(jié)構(gòu)最大加速度的通用方法中，對于橋梁一階豎向振動頻率>5 Hz的上部結(jié)構(gòu)，假設(shè)行人施加的動力荷載可用一個按常速v1沿上部結(jié)構(gòu)主跨移動的脈沖點荷載F來表示，[見式(1)]。
式中：f為橋梁豎向振動基頻。
1.2德國人行天橋設(shè)計指南EN 03
該設(shè)計指南提出的荷載模式考慮豎向、縱向及橫向荷載，通用表達見式(2)。
1.3兩種荷載模型的比較
英國BS 5400荷載模型為單人荷載模型，而橋梁振動往往是由群體性荷載引起的大幅振動，德國人行天橋設(shè)計指南中的荷載模型與實際情況更加接近，因此本文采用后者作為設(shè)計人行荷載模型。
2各國規(guī)范對舒適度指標(biāo)的規(guī)定
大多數(shù)規(guī)范均采用人行豎向加速度作為舒適度評價指標(biāo)，個別規(guī)范采用振動速度或振動最大位移作為評價指標(biāo)（如澳洲公路規(guī)范）。國外規(guī)范豎向加速度規(guī)定比較圖見圖1。
本次列舉國外4個相關(guān)規(guī)范進行比較，分別為BS 5400、加拿大安大略省規(guī)范、歐洲規(guī)范1990以及IS0 10137標(biāo)準(zhǔn)。其中BS 5400、加拿大安大略省規(guī)范以及IS0 10137標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的最大加速度均與頻率相關(guān)，而歐洲規(guī)范EN 1990則規(guī)定人行橋任意一點的豎向最大加速度≤0.7 m/S2。
德國人行天橋設(shè)計指南( EN 03)采取橋梁自振頻率與行人承受的峰值加速度相結(jié)合的方法規(guī)定舒適度等級。EN 03中行人舒適度定義表見表1。
3結(jié)構(gòu)分析
3.1工程介紹
計算橋梁為三跨連續(xù)鋼結(jié)構(gòu)箱梁，跨徑組合為( 30+47+30)m，兩側(cè)接引橋，采用牛腿型式進行搭接。下部結(jié)構(gòu)為樁柱式基礎(chǔ)，其中2號橋墩與上部結(jié)構(gòu)主梁固結(jié)，其余橋墩與上部結(jié)構(gòu)間均采用單向活動支座支撐。三跨連續(xù)鋼結(jié)構(gòu)人行橋示意圖見圖2，人行橋上部結(jié)構(gòu)橫斷面示意圖見圖3。
3.2人行荷載計算模型
根據(jù)國外現(xiàn)有的研究成果，結(jié)合工程實際，豎向振動的人群荷載可近似分為3種荷載工況。
1)工況一：小組結(jié)伴而行，取10人同行，且步頻相同，Np=10。
2)工況二：低密度人群自由行走，
，其中n為橋上行人數(shù)，人群密度按照0.5人/1112考慮。
3)工況三：高密度人群流動，
，人群密度按1人/m2考慮。
4計算結(jié)果
計算橋梁分別取不同剛度（即橋梁自振頻率不同），驗算結(jié)構(gòu)在上述3種荷載工況下的豎向振動時程加速度，分析橋梁剛度變化對行人行走舒適度變化的影響。
4.1荷載工況比較
1)工況二豎向加速度最小，行人舒適度最佳，表明人群在自由行走時步頻相同的人數(shù)較少，不容易產(chǎn)生人橋共振現(xiàn)象。
2)工況一雖然人群荷載小于工況二，但行人結(jié)伴同行，步頻趨于一致，人橋共振現(xiàn)象較為明顯，導(dǎo)致橋梁振動豎向加速度較工況二大。3種工況豎向振動加速度比較表見表2。
3)工況三高密度人行，由于行人無法自由行走，互相影響，步頻趨于一致，導(dǎo)致大量行人與橋梁產(chǎn)生共振，橋梁豎向振動加速度上升，使得行走舒適度指標(biāo)大幅下降。
4.2剛度變化比較
當(dāng)橋梁剛度變化時，橋梁最大豎向加速度見表3。
由計算結(jié)果可知，在橋梁剛度變化情況下，橋梁在不同荷載工況下最大豎向加速度有較為明顯的變化。梁高由1.5 m變化至1.8 m時，橋梁自振頻率增大，逐漸偏離行人行走的頻率，行走舒適度有所改善。
4.3舒適度結(jié)果分析
通過分析計算，該橋在工況一及工況二荷載條件下豎向振動加速度均在0.5 m/S2，舒適度高；在工況三荷載條件下，1.5 m梁高豎向加速度0.78m/s2，舒適度中等，1.8 m梁高豎向加速度0.57 m/S2，舒適度較高。
結(jié)合歐洲及德國標(biāo)準(zhǔn)對舒適度的要求，在人流量小、自由流的情況下（工況一及工況二），梁高1.5 m能夠滿足舒適度要求；當(dāng)人流量增大達到擁擠狀態(tài)（工況三），建議采用1.8 m梁高，豎向加速度控制在0.7 m/s2以下，舒適度較好。
5結(jié)語
隨著社會的發(fā)展，人行天橋等行人過街設(shè)施的設(shè)計在保證其安全性的前提下，對景觀及其舒適度也提出較高的要求。而目前國內(nèi)的相關(guān)規(guī)范及設(shè)計指導(dǎo)對此涉及較少，國外對此也處于研究階段，本文在國外相關(guān)研究成果的基礎(chǔ)上，對實際工程進行分析，為后續(xù)設(shè)計提供一定的參考。
1)人行天橋設(shè)計時必須考慮行人行走的舒適度，如頻率接近行人行走頻率會產(chǎn)生不舒適感。
2)對于人行荷載數(shù)學(xué)模型有待于進一步研究，建立適用于我國實際情況荷載模型。
3)舒適度指標(biāo)包括豎向及水平加速度，本文僅對豎向加速度進行計算分析，然而水平加速度也是影響行人舒適度的重要指標(biāo)。
4)改善橋梁舒適度有多種方法，如設(shè)置調(diào)諧質(zhì)量阻尼器等，本文僅分析橋梁剛度變化對行人行走舒適度的影響，其他方法不在本文進行討論。
6摘要：
采用有限元軟件建立鋼結(jié)構(gòu)人行天橋模型，通過計算人行天橋在人行激勵荷載作用下的豎向加速度，判定其舒適度，對結(jié)構(gòu)設(shè)計進行優(yōu)化。
