“十字形”钢箱梁人行天桥的动力性能

“十字形”钢箱梁人行天桥的动力性能
摘要：我国城市交通面临的压力增加，人行天桥的数量也随之增多，确保通
行安全和舒适是人行天桥功能的表现，常见的人行天桥结构大多为钢结构。

本文
采用有限元分析方法，探析“十字形”钢箱梁人行天桥的动力性能，主要包括有
限元动力和动力响应两个大的模块，并结合实际使用的人行天桥案例，增加研究
的可信性和有效性。

关键词：十字形钢箱梁；人行天桥；动力性能
引言
人行天桥是社会交通发展的必然，能缓解和疏通交通压力，保证行人的出行
安全，而“十字形”天桥具有美观和承受更多行人的优点，认真分析该形状的钢
箱梁人行天桥的动力性能，借以解决日益增长的交通堵塞问题。

1有限元动力分析
1.1建立有限元模型
有限元分析方法能把完整的分析对象分成若干个小单元，通过确定的条件、
负荷以及材料属性等数据，经由线性或非线性方程求解出动力性能。

简单来说，
有限元分析就是分解、构建方程和求解的过程，将其应用到动力性能分析中，首
要的一点就是构建有限元模型。

模型建立的准确与否直接关系到剖析人行天桥动力性能的正确性，因十字形
钢箱梁结构的人行天桥长期应用于十字路口等流量大的位置，跨度大结构复杂，
想要建立模型就要使用相应软件简化模型分析工作，一般是SAP2000软件[1]。

采用这一软件构建有限元模型的设计方案如下，先确定天桥的结构连接形式，主桥和桥墩之间用橡胶垫材料，连接部分用螺栓，其与铰接方式类似，模型就可
以设计为铰接，其余的结构则选用刚接。

接着，天桥结构中有部分次要组件诸如
扶梯等，对动力性能的影响较小，模型可忽略这一部分只考虑主体天桥和墩柱，通常模型要根据天桥的实际状况选择控制截面和节点。

然后，计算荷载情况。

程序可以自行计算恒载，活载需对应主桥和圆环线荷载，其中可变荷载就是人行荷载。

最后，进行有限元分析。

SAP2000针对结构的五种情况计算内力，形成记荷载加载模型，得出每个工况的截面内力值、控制节点位移反应值和结构最大内力值。

经过对比有限元和简化计算的数据，两者之间差距较小，为确保模型的精准去掉结构圆环变成十字交叉形式，再把圆环所承受的荷载加到体系中，特别注意圆环结构复杂度高内力计算应独立分析。

1.2有限元模态分析
钢箱梁人行天桥动力性能设计之初就包含抗震、抗风以及减震等功能，行人行动产生的震动也在减震的范围内。

思考人行天桥的模态对提升动力性能认识十分必要，侧重于分析每种状态下的自振频率、震动模型和阻尼。

自振特性是最为关键的动力性能，探究这一属性时要重新建立一个对应的有限元模型。

首先，结合结构实体确定选用的部分，综合动力学理论，计算出就边界条件和材料数据，经由程序处理组成多个自振方程。

普遍来讲，自振方程是阻尼、质量和刚度矩阵之和，因阻尼无法提前估测加上使用的材料阻尼很小，常把阻尼看为零矩阵。

接着，结合计算出的数据进行有限元模态分析。

利用的各种软件为分析工作提供了向量法的模式，程序稳定性较高的SAP2000使用频繁。

前十二阶的自震即频率和特征分为水平方向、纵向和扭转三种，不同的数据下有限元模型不同，模态也有差异。

如频率为2.451赫兹，两跨沿着水平方向纵向震动，频率为8.996赫兹两跨发生改变为反对称二阶震动，水平方向和纵向震动轻微，都出现了轻微的扭转[2]。

最后，经过有限元模态分析发现，十字形人行天桥的自震极限数值满足我国现行的标准，主要梁体的允许值为L/600，超过或低于都不合格，不过满足这个数值只是达到了挠度值的要求，频率还未达标。

自振频率限值并没有一个固定的数据，结合行人脚步频率、桥体有效承载力和桥梁结构等，得出不同跨度下的自振限值有差别，20米到40米的跨度天桥，自振限值在2.78赫兹到3.38赫兹的范围内。

因为行人个体身体素质等情况不统一，步伐频率也就差别较大，计算出
的自震限值只能作为参考，如湖南大学生的步频平均值为1.82赫兹，20米跨度
的天桥自震频率就为3.28赫兹，分析动力性能中的自震限值要做好实地调查。

2动力响应分析
2.1人行荷载和结构动力响应
对人行天桥动力性能的研究除了有限元分析外，研究动力响应也能保障天桥
的安全。

据调查，天桥坍塌的情况偶有发生，造成了生命和财产的损失，为减少
这一现象静态分析动力性能效果不佳，必须注重人行荷载和结构动力响应。

人行荷载受行人步伐的影响有横向力和竖向力，具有明显的周期性、随机性
和交互性，产生的动荷载会影响人行天桥的使用。

因行人数量多且步伐频率各异，计算和建立单人荷载数学模型，借由单人推及人群得到三种不同类型的模型分别
是群体基本同步、低密度自由行走以及高密度人员流动，分析三种模型得到具有
普适性的荷载数据。

结构动力响应也是基于人行荷载之上，基本上行走形式就是提及的三种模型，判断结构动力数据时，施加竖向荷载力，保持钢环纵向变形相同，将其作为刚体，由于这种状况下钢环上的每一个点都能受到一致的动力反应，取连接其和主桥的
节点再由相关软件运行分析，得出速度时程曲线变化图，直观地反映出结构的位移、速度的最大值。

另外，人行天桥舒适度也是其动力性能的一环，同时也受到人行荷载的影响，各个国家都有不同的标准，比如英国对舒适度的评判的标准就是上部结构极频率
结合小于5赫兹，不会和人行荷载一同共振，也可以满足舒适度的要求。

2.2抗震动力响应
十字形钢箱梁人行天桥投入使用的过程中，能否有效抵抗震动关乎桥体的使
用安全，良好的动力性能应在有效抗震功能中得到体现。

因此，研究抗震动力响
应十分必要。

用来探析抗震动力响应的方法很多，最为常用且效果较好的有反应
谱分析法和时程分析法。

一是，反应谱分析法。

该分析法的实现依靠加速度反应，因震动等级、天桥
地基条件等都会影响抗震动力响应，每次的记录数据各不相同，必须精准判断出
可能有震动加速度反应谱的桥体位置，整理统计数据的求出平均值将其作为设计
依据制作反应图谱。

例如，我国青海地区常会出现地震导致人行天桥也会出现震动，据实将震动等级定为七度，基本加速度数值为0.1g，按照人行天桥的抗震设
计规范，结构周期为0.4秒。

由此获得的反应谱分成竖向和横向两种，深入辨析
反应后工况的差异知识结构板控制截面内力反应差别化，抗震动力性能的关键点
在竖向荷载和圆环连接主桥的位置[3]。

二是，时程分析法。

这一方法要选择振动波动数据，整体考量抗震动力响应
的加速度大小、波动情况等特点，调查和收集各种振动数据，如天桥拟建结构位
置的振动记录，需注意震动记录数据少不代表抗震性能强，而是随机性大。

利用
函数公式计算找出确定的参数，尤其是阻尼、加速度峰值。

之后，选用不同的工
况制作包含结构控制截面和节点位移的对比图，通常变化不大的情况下只比较竖
向位移。

这两种方法都能进行抗震动力响应剖释，计算结果有所不同各有优势，如部
分截面，时程法的精准度较高，证明单一使用某一种方法不能完全代表结果正确。

所以将其共同用于动力性能研究中能达到更好的效果，降低数据的误差提高人行
天桥的抗震性能。

3结语
交通压力与日俱增的情况下，能更好缓解人流拥堵情况的十字形钢箱梁人行
天桥被广泛应用于各个城市，其动力性能是否能支持桥体的安全至关重要。

为此，从有限元动力方法和动力响应两个方面，建立相关的数据模型，判断自振频率、
抗震动力响应、人行荷载等部分，能加深了解动力性能特性，继而保障人行天桥
的使用稳定且舒适度高，合乎我国关于公共交通人行天桥的规范标准。

参考文献：
[1]黄圣铨.简支钢箱梁人行天桥荷载试验[J].福建建材,2019(04):8-9.
[2]李兴正,王立峰,郭宏,等.人行天桥动力性能研究[J].黑龙江交通科技,2020,36(03):112-113.
[3]陈华建.人行天桥动力性能研究[J].福建建设科技,2019(04):82-84.。