论文部分内容阅读
摘要：本文通过对某钢箱梁人行天桥的工程设计及计算分析，总结出钢箱梁人行天桥设计过程中如何有效提高钢箱梁天桥自振频率，供钢箱梁人行天桥设计从业者参考。
关键词：人行天桥、自振频率、桥梁设计
1引言
人行天桥在设计过程中，不仅要求结构安全可靠，为保证行人行走舒适度，避免人桥共振，对天桥的竖向自振频率也有一定的要求。现行规范《城市人行天桥与人行地道技术规范》CJJ 69-95中明确要求天桥上部结构竖向自振频率不应小于3Hz，深圳市地方设计指引要求更高，《深圳市人行天桥和连廊设计指引》中要求天桥上部结构不低于4Hz。本文结合某钢箱梁人行天桥工程设计，计算分析出对钢箱梁天桥自振频率的影响因素，供钢箱梁人行天桥设计者参考。
2项目概况
项目位于广州市番禺区，为新建医院配套过街天桥。天桥呈“工”字型布置，由于道路无中央绿化，主桥采用单跨简支梁结构，垂直跨越地面道路。根据场地条件，梯道采用双边接地型式，在主梁两端设置有四幅直线形楼梯。天桥采用1×30m简支钢箱梁，天桥净宽为4m，总宽为5.3m。
3桥梁设计
3.1 主要材料
1）钢材：主桥钢箱梁Q355C。
2）钢筋：HRB400、HPB300。
3）混凝土：楼梯、桥墩C40砼、承台C35砼、桩基C30水下砼。
3.2 结构设计
主桥上部结构采用1×30m简支钢箱梁结构，标准横断面采用单箱双室，梁高1.3m，桥宽为5.3m，主桥桥墩采用钢筋混凝土板式墩，采用矩形加圆角变截面墩，主桥桥墩与钢箱梁通过支座连接。钢箱梁横断面如下图所示。
4结构建模分析
4.1 荷载取值
4.1.1 恒荷载
1）结构自重：Midas civil 2019软件自动计入，横隔板通过节点荷载加载，按3KN计。
2）桥面铺装：9.6kN/m。
3）栏杆：1.1kN/m（单侧）。
4）花槽：5kN/m（单侧）。
合计：21.8KN/m
4.1.2 活载
1）根据《城市人行天桥与人行地道技术规范》第3.1.3.2条计算。
2）温度荷载：整体升降温±30℃。
4.2 结构计算分析
根据《公路桥涵设计通用规范》JTG D60-2015，简支梁桥的
自振频率计算公式为 ，影响钢箱梁天桥自振频率的因
素有桥梁跨径，截面惯性矩以及质量。而在截面宽度一定的条件下，影响截面惯性矩有梁高、截面板厚、加劲肋，影响质量的因素有结构自重，桥面铺装、栏杆、花槽、雨棚等二期恒载，另外主桥的边界条件也会影响主桥结构的自振频率。本文通过运用Midas civil 2020计算不同工况下钢箱梁结构的自振频率，分析出各种因素对简支钢箱梁天桥影响程度，确定提高钢箱梁天桥自振频率的有效措施。
4.2.1 桥梁跨径对钢箱梁天桥自振频率的影响
为研究桥梁跨径对钢箱梁天桥自振频率的影响，运用软件计算了1×30m、1×27m、1×24m三种不同跨径下天桥的自振频率。三种跨径模型采用相同的截面、荷载及边界条件，计算结果如下表所示：
从表1可以看出，随着天桥跨径的减少，天桥频率增幅较大，且跨径减少幅度越大，频率增幅效果越明显。因此，在满足桥下功能的前提下，可通过减少天桥跨径有效提高天桥的频率。
4.2.2 梁高对钢箱梁天桥自振频率的影响
计算模型选取1×30m简支钢箱梁天桥，桥宽5.3m，在荷载及边界条件不变的条件下，通过改变模型截面梁高计算出不同梁高情况下的钢箱梁天桥自振频率，计算结果如下表所示。
从表2可以看出，在其他条件相同的情况下，天桥频率随梁高的增加而增大，频率增幅与梁高变化呈线性关系，增幅效果较明显。因此，加大梁高是提高天桥频率的有效途径。
4.2.3 板厚对钢箱梁天桥自振频率的影响
同样选取1×30m简支钢箱梁天桥，桥宽5.3m，梁高1.3m模型，荷载及边界条件不变的情况下，改变钢箱梁截面顶板、底板厚度，计算结果如下表所示。
从表3可以看出，板厚增加10%，频率仅增加0.2%，钢箱梁截面顶底板厚度对天桥的频率有一定影响，但效果不明显，在设计过程中，在满足结构受力的条件下，应尽可能采用薄板，节约钢材。
4.2.4 加劲肋对钢箱梁天桥自振频率的影响
计算选取1×30m简支钢箱梁天桥，桥宽5.3m，梁高1.3m模型，在其他条件不变的情况下，计算选取了肋高相同的板肋、T肋、U肋截面进行计算分析，计算结果如下表所示。
从表4可以看出，改变加劲肋形式对钢箱梁天桥自振频率频率的影响非常小，在设计过程中，在满足结构受力的前提下，应尽可能选择构造简单，施工方便的板肋。
4.2.5 二期恒载对钢箱梁天桥自振频率的影响
计算选取1×30m简支钢箱梁天桥，桥宽5.3m，梁高1.3m模型，荷载及截面不变的情况下，通过改变二期恒载的大小来分析二期恒载对天桥频率的影响，计算结果如下表所示。
从表5可以看出，二期恒载对钢箱梁天桥自振频率影响较大，为提高天桥频率，可取消天桥花槽、雨棚等非必要的二期恒载，天桥铺装尽量选取容重小、厚度薄的铺装形式。
4.2.6 边界条件对钢箱梁天桥自振频率的影响
我们知道，改变天桥的边界条件可提高天桥结构的刚度，天桥频率也会受到影响，为研究不同边界条件下，钢箱梁天桥自振频率的变化情况，计算选取了三种不同边界条件的模型，均采用1×30m单跨钢箱梁，其他条件不变，计算结果如下表所示：
从表5可以看出，边界条件对钢箱梁天桥自振频率影响很大，固结天桥支点可大幅提高天桥自振频率，但墩梁固结会使桥墩承受较大的弯矩，固结两个支點主梁会产生较大的温度应力，设计过程中应注意边界条件的合理选取。
5结语
影响钢箱梁天桥自振频率的影响因素有很多，设计过程应结合工程实际情况合理选取桥梁跨径、截面尺寸、边界条件及桥面附属结构形式。为提高天桥的自振频率，可通过减少桥梁跨径，加大梁高、减少二期恒载、墩梁固结措施有效提高天桥频率。而钢箱梁钢板厚度及加劲肋形式对天桥自振频率影响程度较小，从减少用钢量，降低工程造价及方便施工的角度考虑，建议钢箱梁采用较薄的板厚，采用构造简单板肋。
参考文献：
[1]中华人民共和国建设部.《城市人行天桥与人行地道技术规范》CJJ 69-95，1996.09.
[2]深圳市交通运输委员会 《深圳市人行天桥和连廊设计指引》，2017.04.
[3]中华人民共和国交通运输部.《公路桥涵设计通用规范》JTG D60-2015，2015，12.
关键词：人行天桥、自振频率、桥梁设计
1引言
人行天桥在设计过程中，不仅要求结构安全可靠，为保证行人行走舒适度，避免人桥共振，对天桥的竖向自振频率也有一定的要求。现行规范《城市人行天桥与人行地道技术规范》CJJ 69-95中明确要求天桥上部结构竖向自振频率不应小于3Hz，深圳市地方设计指引要求更高，《深圳市人行天桥和连廊设计指引》中要求天桥上部结构不低于4Hz。本文结合某钢箱梁人行天桥工程设计，计算分析出对钢箱梁天桥自振频率的影响因素，供钢箱梁人行天桥设计者参考。
2项目概况
项目位于广州市番禺区，为新建医院配套过街天桥。天桥呈“工”字型布置，由于道路无中央绿化，主桥采用单跨简支梁结构，垂直跨越地面道路。根据场地条件，梯道采用双边接地型式，在主梁两端设置有四幅直线形楼梯。天桥采用1×30m简支钢箱梁，天桥净宽为4m，总宽为5.3m。
3桥梁设计
3.1 主要材料
1）钢材：主桥钢箱梁Q355C。
2）钢筋：HRB400、HPB300。
3）混凝土：楼梯、桥墩C40砼、承台C35砼、桩基C30水下砼。
3.2 结构设计
主桥上部结构采用1×30m简支钢箱梁结构，标准横断面采用单箱双室，梁高1.3m，桥宽为5.3m，主桥桥墩采用钢筋混凝土板式墩，采用矩形加圆角变截面墩，主桥桥墩与钢箱梁通过支座连接。钢箱梁横断面如下图所示。
4结构建模分析
4.1 荷载取值
4.1.1 恒荷载
1）结构自重：Midas civil 2019软件自动计入，横隔板通过节点荷载加载，按3KN计。
2）桥面铺装：9.6kN/m。
3）栏杆：1.1kN/m（单侧）。
4）花槽：5kN/m（单侧）。
合计：21.8KN/m
4.1.2 活载
1）根据《城市人行天桥与人行地道技术规范》第3.1.3.2条计算。
2）温度荷载：整体升降温±30℃。
4.2 结构计算分析
根据《公路桥涵设计通用规范》JTG D60-2015，简支梁桥的
自振频率计算公式为 ，影响钢箱梁天桥自振频率的因
素有桥梁跨径，截面惯性矩以及质量。而在截面宽度一定的条件下，影响截面惯性矩有梁高、截面板厚、加劲肋，影响质量的因素有结构自重，桥面铺装、栏杆、花槽、雨棚等二期恒载，另外主桥的边界条件也会影响主桥结构的自振频率。本文通过运用Midas civil 2020计算不同工况下钢箱梁结构的自振频率，分析出各种因素对简支钢箱梁天桥影响程度，确定提高钢箱梁天桥自振频率的有效措施。
4.2.1 桥梁跨径对钢箱梁天桥自振频率的影响
为研究桥梁跨径对钢箱梁天桥自振频率的影响，运用软件计算了1×30m、1×27m、1×24m三种不同跨径下天桥的自振频率。三种跨径模型采用相同的截面、荷载及边界条件，计算结果如下表所示：
从表1可以看出，随着天桥跨径的减少，天桥频率增幅较大，且跨径减少幅度越大，频率增幅效果越明显。因此，在满足桥下功能的前提下，可通过减少天桥跨径有效提高天桥的频率。
4.2.2 梁高对钢箱梁天桥自振频率的影响
计算模型选取1×30m简支钢箱梁天桥，桥宽5.3m，在荷载及边界条件不变的条件下，通过改变模型截面梁高计算出不同梁高情况下的钢箱梁天桥自振频率，计算结果如下表所示。
从表2可以看出，在其他条件相同的情况下，天桥频率随梁高的增加而增大，频率增幅与梁高变化呈线性关系，增幅效果较明显。因此，加大梁高是提高天桥频率的有效途径。
4.2.3 板厚对钢箱梁天桥自振频率的影响
同样选取1×30m简支钢箱梁天桥，桥宽5.3m，梁高1.3m模型，荷载及边界条件不变的情况下，改变钢箱梁截面顶板、底板厚度，计算结果如下表所示。
从表3可以看出，板厚增加10%，频率仅增加0.2%，钢箱梁截面顶底板厚度对天桥的频率有一定影响，但效果不明显，在设计过程中，在满足结构受力的条件下，应尽可能采用薄板，节约钢材。
4.2.4 加劲肋对钢箱梁天桥自振频率的影响
计算选取1×30m简支钢箱梁天桥，桥宽5.3m，梁高1.3m模型，在其他条件不变的情况下，计算选取了肋高相同的板肋、T肋、U肋截面进行计算分析，计算结果如下表所示。
从表4可以看出，改变加劲肋形式对钢箱梁天桥自振频率频率的影响非常小，在设计过程中，在满足结构受力的前提下，应尽可能选择构造简单，施工方便的板肋。
4.2.5 二期恒载对钢箱梁天桥自振频率的影响
计算选取1×30m简支钢箱梁天桥，桥宽5.3m，梁高1.3m模型，荷载及截面不变的情况下，通过改变二期恒载的大小来分析二期恒载对天桥频率的影响，计算结果如下表所示。
从表5可以看出，二期恒载对钢箱梁天桥自振频率影响较大，为提高天桥频率，可取消天桥花槽、雨棚等非必要的二期恒载，天桥铺装尽量选取容重小、厚度薄的铺装形式。
4.2.6 边界条件对钢箱梁天桥自振频率的影响
我们知道，改变天桥的边界条件可提高天桥结构的刚度，天桥频率也会受到影响，为研究不同边界条件下，钢箱梁天桥自振频率的变化情况，计算选取了三种不同边界条件的模型，均采用1×30m单跨钢箱梁，其他条件不变，计算结果如下表所示：
从表5可以看出，边界条件对钢箱梁天桥自振频率影响很大，固结天桥支点可大幅提高天桥自振频率，但墩梁固结会使桥墩承受较大的弯矩，固结两个支點主梁会产生较大的温度应力，设计过程中应注意边界条件的合理选取。
5结语
影响钢箱梁天桥自振频率的影响因素有很多，设计过程应结合工程实际情况合理选取桥梁跨径、截面尺寸、边界条件及桥面附属结构形式。为提高天桥的自振频率，可通过减少桥梁跨径，加大梁高、减少二期恒载、墩梁固结措施有效提高天桥频率。而钢箱梁钢板厚度及加劲肋形式对天桥自振频率影响程度较小，从减少用钢量，降低工程造价及方便施工的角度考虑，建议钢箱梁采用较薄的板厚，采用构造简单板肋。
参考文献：
[1]中华人民共和国建设部.《城市人行天桥与人行地道技术规范》CJJ 69-95，1996.09.
[2]深圳市交通运输委员会 《深圳市人行天桥和连廊设计指引》，2017.04.
[3]中华人民共和国交通运输部.《公路桥涵设计通用规范》JTG D60-2015，2015，12.