钢结构人行天桥舒适度设计及其控制研究

钢结构人行天桥舒适度设计及其控制研究

作者：赵光伟

来源：《科技与创新》2015年第13期

摘 要：钢结构天桥是宽度为6～12 m、跨度在27～40 m之间的钢桁架结构体系，通常采用封闭式外围护系统。根据《城市人行天桥与人行地道技术规范》，人行天桥竖向自振频率需>3 Hz，以满足舒适度的要求，已成为钢结构人行天桥的主要设计控制因素。通过弹性时程分析得出的激励荷载、桥面系的质量比、结构动力时程响应的对应关系，分析了满足舒适度要求的最小桥面系质量，并以此作为结构舒适度设计的补充控制指标。 关键词：钢结构；人行天桥；人行激励；舒适度

中图分类号：U441+.3 文献标识码：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2015.13.001

随着我国高铁四纵四横骨干网的建成，未来高铁发展将以大都市区市郊通勤铁路和城市群城际铁路为主。因此，中小型客运站房的建设数量将越来越多，钢结构人行天桥作为主要的跨线设施类型将被大量采用。人行天桥在人群行走的作用下可能产生较大的振动，影响行走的舒适度。而现行规范中的挠度限值和自振频率限值无法很好地评价结构振动的舒适度。 1 结构模态分析

为了分析人行天桥的固有动力特性，采用MIDAS GEN建立了人行天桥的有限元模型，图1为天桥结构计算模型简图，对天桥结构进行了模态分析。振动质量源为结构构件质量、建筑装修质量和50%人群荷载质量。

以《城市人行天桥与人行地道技术规范》中规定的人行天桥竖向自振频率>3 Hz为舒适度设计控制指标时，要求天桥结构具有较大的竖向弯曲刚度，其前10阶基频和主要振动模态如表1所示。第一阶竖向振动为人行天桥竖向弯曲振动，振动频率为3.56 Hz，竖向自振频率远离人群步行频率。

不以竖向自振频率>3 Hz为舒适度设计控制指标，充分利用天桥结构构件的承载力，以天桥楼面的结构动力加速度响应值作为舒适度设计控制指标时，可适当降低天桥结构的竖向弯曲刚度，其前10阶基频和主要振动模态如表2所示。第一阶竖向振动为人行天桥竖向弯曲振动，振动频率为2.86 Hz，频率较低且接近于人群步行频率。 2 人行激励振动特性计算 3 时程分析计算结果

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理论上，当人行桥的自振频率在人行激励基频（2 Hz）或高阶频率（4 Hz、6 Hz等）附近时，人行天桥就可能发生共振，但因结构阻尼的存在，只有当人行荷载具有足够的能量时，共振才会真正发生。

人行荷载的能量取决于人群质量G，即天桥上同时行走的人数，可以根据车站最大到达人数、最高聚集人数分别考虑进站、出站人流的影响（不考虑多站台同时作业和进、出站人流在天桥上相遇的情况）。本文中人群质量G根据车站最高聚集人数计算，并考虑人群密度≤1人/m2和天桥楼面面积为1 000 m2，人的质量取为70 kg/人。人群均匀分布在天桥的楼面上，并沿天桥均匀前进。

模型的阻尼比取0.035，对天桥结构进行人行荷载激励作用下的动力时程分析，可得到加速度响应时间历程曲线和位移响应时间历程曲线。分析结果如表3所示。 3.1 频率限值分析

参考国外相关规范和中国《城市人行天桥与人行地道技术规范》规定的限值，对比结果详见表4. 由表4可知，本算例人行天桥竖向自振频率不满足>3 Hz的要求，存在人行荷载激励作用下产生共振的可能性。 3.2 动力响应限值分析

通过对天桥结构进行弹性时程分析，得出天桥楼面上的最大加速度响应，从而可评估其舒适度性能，分析结果详见表5.

由表5可见，人行天桥的加速度响应过大，远超规范规定的限值；加速度响应与人群密度成正比，即与人群质量G是线性关系。在结构刚度不变的情况下，可推导出满足加速度响应限值0.018 g的人群密度为0.125人/m2，人群与楼面的质量比为1.675%. 4 结论

在大跨度轻柔结构中，仅仅通过限制结构的静态挠度或单纯限值其自振频率，以保证人行激励下的舒适度是不够的。一方面，会过分加大结构刚度，进而耗费大量钢材；另一方面，无法完全保证结构满足舒适度指标的要求。

结构在人行激励曲线作用下的振动响应与结构自身振动特性有密切关系。加速度响应与人群质量G是线性关系，在结构刚度不变的情况下，人群质量G与楼面结构自重的比值越小，则楼面结构的加速度响应值越小。因此，可考虑通过增加楼面配重来降低结构的加速度响应，以满足舒适度的要求。 参考文献

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[1]孙利民，闫兴非.人行桥人行激励振动及设计方法[J].同济大学学报（自然科学版），2004，32（8）：996-999.

[2]马耕，在田.城市人行天桥动力设计问题探讨[J].市政·交通·水利工程设计，2008（7）：62-65.

[3]Bachmann H.Case studies of structures with man-induced vibrations[J].ASCE Journal of Structural Engineering，1992（118）：631-647. 〔编辑：张思楠〕

Abstract： The steel structure bridge is the width of 6 ～ 12 m， span between 27 ～ 40 m steel truss structure system， usually uses a closed external enclosure system. According to the“urban pedestrian bridge and tunnel technology standard”， pedestrian bridge vertical self-vibration frequency must be > 3 Hz， to meet the comfort requirements has become steel pedestrian

overcrossing of the main controlling factor of design. The elastic time history analysis drawn loads， the bridge deck system of quality ratio， structural dynamic time history response of the

corresponding relationship of meet the comfort requirements of the minimum deck system quality， and thus as a supplement to comfort design of structure control index.

Key words： steel structure； pedestrian； pedestrian excitation； comfort

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