某大跨鋼管桁架人行橋荷載試驗與探析范文
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［摘要］本文通過對某主跨為65．73m的鋼管桁架人行橋進(jìn)行全橋有限元計算分析和橋梁荷載試驗，分析大跨鋼管桁架人行天橋的承載能力及動力特性。試驗及分析結(jié)果表明:鋼桁架人行天橋上部結(jié)構(gòu)性能夠滿足設(shè)計荷載作用下的安全使用要求。橋梁結(jié)構(gòu)實測與理論自振頻率的偏差均在10%之內(nèi);豎向一階自振頻率實測值為2．25Hz，不滿足規(guī)范中人行天橋的要求。安裝TMD阻尼器后對結(jié)構(gòu)減振效果不明顯，需要對TMD阻尼器的參數(shù)進(jìn)行進(jìn)一步的優(yōu)化設(shè)計，以使其減振效果達(dá)到最大化。本文所應(yīng)用分析方法對解決同類工程問題具有借鑒作用。
［關(guān)鍵詞］鋼管桁架人行橋;荷載試驗;有限元分析;自振特性
0引言
隨著城市快速路、高速公路、軌道交通等交通系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)迅猛發(fā)展，對城市人行過街體系也不斷地提出新的要求［1］，而鋼桁架人行天橋由于其造型美觀，跨越能力強(qiáng)，施工迅速［2］等優(yōu)勢越來越被廣泛地應(yīng)用于過街人行橋中。與傳統(tǒng)的人行天橋相比，鋼桁架人形天橋的跨越能力大大提高，在跨徑相同情況下可以大大地減少支撐體系數(shù)量。然而隨著跨徑的增加，鋼桁架人形天橋的使用性能以及基頻偏低的問題成為人們關(guān)注的焦點［3］。本文通過計算分析及橋梁荷載試驗對某長跨鋼桁架人行天橋的承載能力及動力特性進(jìn)行評價，為其他同類工程提供借鑒作用。
1工程背景
某鋼桁架人形橋主跨65.73m為空心鋼管桁架人形天橋，其跨徑布置為15.63m+65.73m+11.52m，其結(jié)構(gòu)布置如圖1所示。該橋為彎橋魚腹式造型，橋面變寬變高，橋?qū)捰?992mm漸變至4065mm，梁高由1565mm漸變至4015mm，兩側(cè)設(shè)置安全玻璃欄桿及不銹鋼扶手;上部分段模塊之間的連接均采用高強(qiáng)摩擦型螺栓連接。梯道橋墩采用鋼管立柱，微型鋼管接地系梁;主橋采用鋼筋砼橋墩，并內(nèi)置鋼骨架加勁，橋墩造型呈不規(guī)則的人字形，以增強(qiáng)景觀效果。橋面采用5～7cmC40砼+2cm防滑地磚鋪裝。鋼構(gòu)件均采用Q345D鋼。設(shè)計荷載:人群荷載:5.0kN/m2。
2有限元模型
利用MIDASCIVIL建立鋼管桁架天橋整體有限元模型，由于本文僅對上部結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，在建模過程中只建立了上部結(jié)構(gòu)的空間鋼管桁架及橋面板，對于支承點采用約束節(jié)點的方式模擬，上下弦及腹桿鋼管均采用梁單元模擬，橋面板采用板單元模擬，鋼管及橋面板均考慮其為彈性材料，材料性能按現(xiàn)行規(guī)范取值。基于有限元模型對橋梁在設(shè)計荷載及實際加載作用下的響應(yīng)進(jìn)行計算，確定靜力荷載試驗計算值以及結(jié)構(gòu)自振特性計算值。
3橋梁靜力荷載試驗
3.1荷載試驗效率
根據(jù)《城市橋梁檢測與評定技術(shù)規(guī)范》(CJJ/T233－2015)［4］，各工況必須滿足的要求荷載試驗效率要求。
3.2測點布置
本次試驗的撓度測試截面，包括主跨跨中截面，1/4L截面及支座截面，通過測試得到試驗跨在進(jìn)行支座修正后的跨中截面撓度及L/4截面撓度。每個截面的內(nèi)弧和外弧分別設(shè)置一個測點。
3.3試驗過程
試驗前，對橋梁進(jìn)行預(yù)加載。正式加載按五級進(jìn)行分級加載，先進(jìn)行工況一級加載，待加載穩(wěn)定后，測讀控制截面主要測點應(yīng)變和撓度，并觀察重點部位工作現(xiàn)狀;滿足試驗控制標(biāo)準(zhǔn)后，繼續(xù)下級加載，直至滿載，穩(wěn)定后檢測應(yīng)變及撓度的發(fā)展情況;讀數(shù)完畢后，卸載，待橋梁恢復(fù)變形穩(wěn)定后，進(jìn)行讀數(shù)，檢測應(yīng)變及撓度的恢復(fù)情況。
3.4靜力荷載試驗
結(jié)果變形檢測結(jié)果。檢測結(jié)果表明，所測桁架的變形校驗系數(shù)在0.72～0.85之間，最大相對殘余變形為3.87%。各級荷載作用下?lián)隙惹€詳見圖8，荷載－變形曲線基本呈現(xiàn)線性關(guān)系。
4橋梁動力荷載試驗
4.1橋梁自振特性試驗
采用環(huán)境隨機(jī)振動法測定橋跨結(jié)構(gòu)由于橋址處風(fēng)荷載、地脈動等隨機(jī)荷載激振而引起的橋梁結(jié)構(gòu)微幅振動響應(yīng)，以分析橋跨結(jié)構(gòu)的自振特性。
4.2橋梁人致振動荷載試驗
由于該橋豎向基頻不滿足規(guī)范要求，因此對在橋梁中跨跨中安裝了TMD阻尼器，通過阻尼器減小橋跨的振幅，使得減小橋梁豎向振幅，提高人行舒適度，本文通過安裝阻尼器前后的人致振動荷載試驗，對阻尼器的減振效果進(jìn)行了評估。據(jù)不同的人數(shù)及步頻分6個工況進(jìn)行試驗，各工況下橋梁結(jié)構(gòu)的跨中測點加速度峰值5，工況一作用下三個測點的平均譜、跨中測點豎向加速度時程、跨中測點橫向加速度時程。
5結(jié)論
(1)通過工程背景鋼桁架人行天橋靜力荷載試驗表明，橋梁上部結(jié)構(gòu)性能滿足設(shè)計荷載(人群5.0kN/m2)作用下的安全使用要求。(2)通過工程背景鋼桁架人行天橋自振特性試驗表明，橋梁結(jié)構(gòu)實測與理論自振頻率的偏差均在10%之內(nèi);豎向一階自振頻率實測值為2.25Hz，不滿足規(guī)范［4］中人行天橋“結(jié)構(gòu)豎向最低自振頻率不應(yīng)小于3Hz”的要求。(3)安裝TMD阻尼器后，結(jié)構(gòu)豎向振幅變化不大，需要根據(jù)人行橋的結(jié)構(gòu)特性對TMD阻尼器進(jìn)行進(jìn)一步的參數(shù)優(yōu)化分析，確定最適用于本工程的阻尼器參數(shù)，使得TMD阻尼器的減振效果最大化。
參考文獻(xiàn)
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作者：劉祥民 單位：福建省建筑科學(xué)研究院