大跨度人行桥的人致振动分析与设计方法

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1、万方数据第30卷增刊2010年9月防灾减灾工程学报JournalofDisasterPreventionandMitigationEngineeringV01．30Suppl．Sep．2010大跨度人行桥的人致振动分析与设计方法。关山月(同济大学土木工程学院桥梁工程系，上海200092)摘要：主要对行人侧向荷载激励下的大跨度人行桥的侧向振动的模拟以及设计方法进行了研究．采用MATLAB软件拟合行人钼5向荷载的实验数据，得出行人侧向荷栽的时程函数。建立行人荷裁与人行桥相互作用的模型，进而模拟大量行人同时过桥时的人行桥的侧向振

2、动问题。分析了处于不同行人密度下的人行桥侧向振动问题，并且采用狄拉克函数时传统的算法进行了改进，进而对我国当前的设计规范提出了修改意见。关键词：大跨度人行桥；人致振动；人桥相互作用；狄拉克函数中图分类号：U441+．2文献标识码：A文章编号：1672—2132(2010)增刊一0106—050引言随着经济的日益发展以及交通运输业的蓬勃进步，人行天桥在市政建设中体现出越来越重要的作用。人行桥能够很好地缓解日益增加的人流量对城市交通带来的巨大压力，提高交通运输效率。当前很多人行桥除承担安全、便捷的行人通道这一使用功能，更融入了

3、改善城市生态环境、注重以人为本的理念。有的人行桥成为行人能够驻足休憩和欣赏周围景观的场所，有的人行桥本身就是一件建筑景观，成为地区、城市的标志性建筑[1]。在这种趋势下，人行桥正在向更大跨度、使用实用新型轻质材料、形式更加新颖多样的方向发展，以满足城市立体交通以及景观效果等方面的要求。但是，这种发展趋势给人行桥的设计带来新的问题。由于人行桥的跨度的增加，以及轻质材料的使用，降低了人行桥自身的刚度，而使人行桥自身的固有频率接近行人荷载的频率，导致人行桥发生受激振动。特别是由于一般的桥梁的横向刚度都小于竖直方向上的刚度，使得人

4、行桥的侧向自振频率更加接近行人荷载的侧向分量的频率，导致人行桥容易发生侧向振动。如：伦敦的千年桥(LondonMillenniumBridge)，在开放日当天由于大量行人同时过桥产生的“锁定现象，，[钉而导致桥梁结构发生侧向振动不得不被迫关闭。这种现象在其他的一些大跨度人行桥中也有发生，如：新加坡的ChangiMezzanine桥[3]和巴黎Solferinor4]桥。特别是，当有高密度行人(行人密度大于1．5人／m2)同时通过人行桥时，振动也就越加剧烈。当前这种人行桥的侧向振动，越来越受到工程界的重视。虽然工程界对人行桥

5、的侧向振动的重视程度有所提高，并在设计方法以及计算工具方面较以往有了长足的进步，但是对人行桥的人致振动问题的研究还不是十分透彻。主要问题是元法真实地模拟行人真实的过桥过程，特别是在有高密度行人同时通过的时候，行人荷载的真实状态就更加难以把握。另一方面，行人荷载与人行桥的相互作用模型研究得也不是十分明确。当前的4种主要作用模型是：强迫作用模型、自激振动模型、参数振动模型以及随机振动模型。这4种模型都存在着无法完全真实的反映行人与人行桥相互作用的问题，所以还有待完善。通常人行桥的人致振动主要以竖向振动为主，所以各国规范对人行桥

6、侧向振动这一问题很少给出明确的解释与指导。一些国家的规范鉴于伦敦千年桥的问题，对其在人行桥侧向振动的问题上进行了改进，但具体的规范内容还有待改进。我国的《城市人行天桥与人行地道技术规范》[5】，仅规定了人行桥的竖向频率应满足不低于3Hz的要求，并未考虑侧向振动的问题，这一规定还不够完善。·收稿日期：2010—05—28；修回日期：2010—06—30作者简介：关山月(1988．)，男。硕士研究生。主要从事桥梁抗震与健康监测等方面的研究。Email：071013@tongji．edu。ca万方数据增刊关山月：大跨度人行桥的人

7、致振动分析与设计方法1071单人荷载模拟行人在人行桥上的走动过程中，对人行桥主要产生竖向、侧向以及与前进方向一致的三个方向的力。虽然竖向力导致的人行桥竖向振动与侧向振动存在一定的耦合关系，但是实际情况证明，竖向振动对侧向振动影响较小，而行人荷载的侧向力则是导致人行桥发生侧向振动的主要因素，所以为了更好地分析行人荷载作用下的人行桥的侧向振动问题，需要模拟出行人荷载侧向力。本文采用MATLAB软件对Ohlsson构造的步行力时程(即著名的M2步行力曲线)如图1进行模拟，求解步行力中侧向力分量的时程函数。；。．一／时问，。心图1

8、Ohlsson侧向力时程曲线鉴于行人荷载具有一定的周期性，将侧向力的时程函数拟合成傅里叶级数的形式：∞厂(t)=G≥：aisin(inft一够)(1)f置1式中G为单个人的体重；al为侧向力动荷载幅值与单个人的体重的比值，称为第i阶动载因子；厂为行人侧向荷载的频率，因为对于行人荷载的侧向力，需完成两步才