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[摘要]本文通過(guò)對(duì)某主跨為65.73m的鋼管桁架人行橋進(jìn)行全橋有限元計(jì)算分析和橋梁荷載試驗(yàn),分析大跨鋼管桁架人行天橋的承載能力及動(dòng)力特性。試驗(yàn)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(mǎn)足設(shè)計(jì)荷載作用下的安全使用要求。橋梁結(jié)構(gòu)實(shí)測(cè)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(shí)測(cè)值為2.25Hz,不滿(mǎn)足規(guī)范中人行天橋的要求。安裝TMD阻尼器后對(duì)結(jié)構(gòu)減振效果不明顯,需要對(duì)TMD阻尼器的參數(shù)進(jìn)行進(jìn)一步的優(yōu)化設(shè)計(jì),以使其減振效果達(dá)到最大化。本文所應(yīng)用分析方法對(duì)解決同類(lèi)工程問(wèn)題具有借鑒作用。
[關(guān)鍵詞]鋼管桁架人行橋;荷載試驗(yàn);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(duì)城市人行過(guò)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(shì)越來(lái)越被廣泛地應(yīng)用于過(guò)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(wèn)題成為人們關(guān)注的焦點(diǎn)[3]。本文通過(guò)計(jì)算分析及橋梁荷載試驗(yàn)對(duì)某長(zhǎng)跨鋼桁架人行天橋的承載能力及動(dòng)力特性進(jìn)行評(píng)價(jià),為其他同類(lèi)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?yàn)閺潣螋~(yú)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(jì)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(duì)上部結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析,在建模過(guò)程中只建立了上部結(jié)構(gòu)的空間鋼管桁架及橋面板,對(duì)于支承點(diǎn)采用約束節(jié)點(diǎn)的方式模擬,上下弦及腹桿鋼管均采用梁?jiǎn)卧M,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(duì)橋梁在設(shè)計(jì)荷載及實(shí)際加載作用下的響應(yīng)進(jìn)行計(jì)算,確定靜力荷載試驗(yàn)計(jì)算值以及結(jié)構(gòu)自振特性計(jì)算值。
3橋梁靜力荷載試驗(yàn)
3.1荷載試驗(yàn)效率
根據(jù)《城市橋梁檢測(cè)與評(píng)定技術(shù)規(guī)范》(CJJ/T233-2015)[4],各工況必須滿(mǎn)足的要求荷載試驗(yàn)效率要求。
3.2測(cè)點(diǎn)布置
本次試驗(yàn)的撓度測(cè)試截面,包括主跨跨中截面,1/4L截面及支座截面,通過(guò)測(cè)試得到試驗(yàn)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(gè)截面的內(nèi)弧和外弧分別設(shè)置一個(gè)測(cè)點(diǎn)。
3.3試驗(yàn)過(guò)程
試驗(yàn)前,對(duì)橋梁進(jìn)行預(yù)加載。正式加載按五級(jí)進(jìn)行分級(jí)加載,先進(jìn)行工況一級(jí)加載,待加載穩(wěn)定后,測(cè)讀控制截面主要測(cè)點(diǎn)應(yīng)變和撓度,并觀察重點(diǎn)部位工作現(xiàn)狀;滿(mǎn)足試驗(yàn)控制標(biāo)準(zhǔn)后,繼續(xù)下級(jí)加載,直至滿(mǎn)載,穩(wěn)定后檢測(cè)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(cè)應(yīng)變及撓度的恢復(fù)情況。
3.4靜力荷載試驗(yàn)
結(jié)果變形檢測(cè)結(jié)果。檢測(cè)結(jié)果表明,所測(cè)桁架的變形校驗(yàn)系數(shù)在0.72~0.85之間,最大相對(duì)殘余變形為3.87%。各級(jí)荷載作用下?lián)隙惹€詳見(jiàn)圖8,荷載-變形曲線基本呈現(xiàn)線性關(guān)系。
4橋梁動(dòng)力荷載試驗(yàn)
4.1橋梁自振特性試驗(yàn)
采用環(huán)境隨機(jī)振動(dòng)法測(cè)定橋跨結(jié)構(gòu)由于橋址處風(fēng)荷載、地脈動(dòng)等隨機(jī)荷載激振而引起的橋梁結(jié)構(gòu)微幅振動(dòng)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(dòng)荷載試驗(yàn)
由于該橋豎向基頻不滿(mǎn)足規(guī)范要求,因此對(duì)在橋梁中跨跨中安裝了TMD阻尼器,通過(guò)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(guò)安裝阻尼器前后的人致振動(dòng)荷載試驗(yàn),對(duì)阻尼器的減振效果進(jìn)行了評(píng)估。據(jù)不同的人數(shù)及步頻分6個(gè)工況進(jìn)行試驗(yàn),各工況下橋梁結(jié)構(gòu)的跨中測(cè)點(diǎn)加速度峰值5,工況一作用下三個(gè)測(cè)點(diǎn)的平均譜、跨中測(cè)點(diǎn)豎向加速度時(shí)程、跨中測(cè)點(diǎn)橫向加速度時(shí)程。
5結(jié)論
(1)通過(guò)工程背景鋼桁架人行天橋靜力荷載試驗(yàn)表明,橋梁上部結(jié)構(gòu)性能滿(mǎn)足設(shè)計(jì)荷載(人群5.0kN/m2)作用下的安全使用要求。(2)通過(guò)工程背景鋼桁架人行天橋自振特性試驗(yàn)表明,橋梁結(jié)構(gòu)實(shí)測(cè)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(shí)測(cè)值為2.25Hz,不滿(mǎn)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(duì)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