随着国民经济的快速发展和城镇化水平的提高，城市交通客流的大幅度增加与城市有限的公共交通空间带来了直接的冲突，以往单纯利用时差（即红绿灯控制）来引导和管理交通客流的设计模式已不能满足城市发展的需要。
经济合理的设置人行下行天桥，对于缓解交通拥堵、提高交通安全、促进商业活动都有积极的影响。
为满足岳阳市金峨东路祥岳医院附近人行过街的需求，根据2017年城市建设规划，政府最终决定实施祥岳医院人行过街天桥项目建设。
该项目由湖南省建筑设计院有限公司建筑技术研究院（以下简称HD建筑研究院）公共建筑设计团队设计，于2018年3月26日正式投入使用。
翔悦医院人行天桥的修建，不仅大大缓解了翔悦医院周边的交通拥堵状况，为过往车辆和行人提供了顺畅、安全的出行环境，也为周边居民、摄影爱好者、翔悦医院患者提供了放松身心、缓解压力的休闲区。
该立交桥洁白、简洁的外观，获得了当地民众的一致好评。钢结构人行天桥通过加装TMD（调谐质量阻尼器：由质量、弹簧和阻尼系统组成，一般将其振动频率调整到主结构频率附近，改变结构共振特性，达到减振效果）来控制桥面的加速度响应，并搭配木质桥面，增强行走时的稳定性和舒适度。其良好的现场实施效果被搜狐网媒体公开报道。
外观在线解读
▲立面图
祥悦医院人行天桥主桥净高5m，单跨主梁跨度43.6m，桥梁自重400余吨，桥梁装潢简洁，桥面宽敞平整，两侧为缓坡。
祥悦医院人行天桥紧邻祥悦医院，HD建筑研究院设计总监杨骁领衔的建筑师将医学DNA的螺旋形态引入建筑形态，并用最简单的元素表达。为此，结构方面从直柱方案、弧拱支撑方案、双框内角钢折柱方案等多个方案中最终确定了同时支撑楼梯和主梁的双框内角钢折柱方案，并引入结构TMD技术减少桥面振动。
▲结构主要承重构件轴测图
此外，为了增加上部结构立面的美观效果，人行桥桥面上方设置了交叉排列的螺旋钢管。
为了达到建筑师想要的建筑设计效果，结构设计师通过计算设计确定主要竖向承重构件为钢折柱。为最大限度发挥结构材料的承载能力潜力，水平主梁采用双下翼缘焊接工字钢（如下图所示），截面高度随着受力状态由跨中处的1.3m过渡到支座根部的0.75m。
▲主要结构承重部件截面尺寸
跨度43.6m的全钢人行桥并未采用传统的钢柱结构，而是巧妙地利用楼梯作为结构支撑，既满足了结构设计要求，节省了结构材料，也满足了建筑师对结构尽可能轻量化的要求，融合了建筑美学，成为流动的城市血脉，是人行桥结构的一次创新尝试。
舒适在线翻译
建筑在使用中，舒适度比美观度更重要。行人的舒适度主要体现在桥面的稳定性、行走舒适度、荷载安全性等方面。为了让大家更好的了解其舒适度，我们将从结构有限元分析和基于现场测量的桥面舒适度评估两个方面进行解读。
1.结构有限元分析
※ 设计输入条件
主桥跨度43.6m，属大型桥梁。结构使用年限100年，建筑结构安全等级为1级，基础设计等级为丙级，结构重要性系数为1.1；建筑抗震设防类别为丙级，基本地震烈度为7°，场地类别为地质勘察报告Ⅱ类，基本地震加速度为0.10g，设计地震分组为1组，场地特征周期为0.35s，水平地震影响系数αmax最大值为0.08。
设计基本风压为0.40kN/㎡，地面粗糙度为B级，体形系数为1.3，基本雪压为0.65kN/㎡。
人群荷载为5KPa/㎡，桥面附加恒力荷载为3.5 KPa/㎡，栏杆设计荷载为水平力2.5 kN/m、垂直力1.2 kN/m。
※ 主体结构静力分析
利用大型通用有限元计算软件（MIDAS/GENV8.0）建立空间结构杆件体系有限元模型，将上述荷载及作用施加到结构上进行静力计算分析，钢结构主要构件最大应力水平达到228MPa，构件最大应力比为0.73，在合理承载力允许范围内。
▲主要结构件应力（MPa）
▲主要结构件应力比图
▲主要结构件活载挠度（mm）
考虑到结构跨度较大，结构主梁跨高比达到1/33.5，恒载作用下结构挠度由钢结构自身的拱起来平衡，结构在活载、地震荷载、风荷载等荷载作用下的位移满足规范的要求。
※有限元动态特性分析
英国千禧桥于2000年6月10日通车，但由于通车当天桥面横向晃动过大，尽管行人减少了，但横向晃动依然存在，不到两天这座人行桥就被暂时关闭。
▲电影《哈利波特与混血王子》中千禧桥崩塌的惊险场景
为了更好地评估结构的动力特性，避免发生类似2000年千禧桥的事故，结构设计对结构进行了有限元动力特性分析，结构的1~6阶形成频率与行人分布频率十分接近。
▲一阶对称垂直弯曲振动模态
▲一阶正对称扭转
▲主梁纵移
▲侧弯第一阶段
▲一阶反对称垂直弯曲
▲二阶反对称扭转
※ 行人共振荷载激励下桥面舒适度计算
由于结构的前6个频率与行人频率接近钢结构在线，其余结构指标均满足现行规范的要求，因此，通过调整结构刚度来避开该频带是非常不经济和不科学的。
为此，该项目结构设计首先进行了有限元行人共振荷载激励桥面舒适度计算，计算结果显示，在不采取任何减振控制措施的情况下，结构本身的竖向加速度和横向加速度分别为2.324m/s²和0.213m/s²。
考虑到我国对人行天桥的舒适度评价尚无相应标准，结构设计参考德国人行天桥设计指南EN03（2007）推荐的方法，对峰值振动加速度进行评估。
经过结构静力计算及有限元动力特性分析，为最大程度满足建筑师对于城市空间环境的审美要求，主体结构设计不受限于CJ69-65规范3Hz的限制，拟采用附加调谐质量阻尼器的方式，在不增加结构截面的情况下满足结构使用要求，满足建筑设计需要。
※附加TMD桥面舒适度计算
为了提高人行桥桥面的舒适度，结构设计通过计算和对比分析，拟在人行桥跨中附近布置4组TMD，2组纵、2组横。
竖向TMD惯性质量为2.0 t，刚度系数为337.83 kN/m，阻尼系数为1.04 kN·m·s；横向TMD惯性质量为1.25 t，刚度系数为52.883 kN/m，阻尼系数为1.30 kN·m·s。
通过时程分析得到行人共振荷载作用下跨内节点的结构加速度。
▲减振前后垂直加速度对比
▲减振前后横向加速度对比
▲未控制与TMD控制减振效果对比（单位：m/s²）
可以看出，应用TMD后，桥面的竖向和横向振动都有明显减弱钢结构在线，均满足规范中1级非常舒适的要求。
2. 基于现场测量的桥面舒适度评估
※考试概要
桥梁结构的动力特性包括固有频率、振型、阻尼比等。由于影响桥梁结构动力特性的因素很多且复杂，仅采用理论方法进行分析是远远不够的，往往需要同时进行理论分析和试验测试。
桥梁结构动力试验获取的数据是评估桥梁承载能力、标识桥梁结构工作性能、分析桥梁抗震性能的重要参数。
从前文有限元分析结果可知，人行天桥的3个振型，即第1阶竖向弯曲（1.92Hz）、第1阶扭转（1.96Hz）和主梁纵向漂移（2.45Hz）的频率均在人行天桥的振动敏感频率范围内。因此，需要进行现场动态试验，分析人行天桥在行人荷载作用下的加速度响应，以判断采取减振措施后桥面舒适度和横向稳定性是否满足要求。
本次试验采用DH3817数据采集分析系统，以及超低频、高灵敏度的竖向和横向加速度传感器，通过在桥梁适当位置布置测点并采样，得到不同行人状态下桥面的响应，并基于时域和频域分析得到结构的频率、振型和阻尼特性。
※人桥模态参数识别
本试验采用环境激励法测试人行天桥结构的自振模态。环境激励法又称脉动法，是指采集结构在环境激励下（如地脉动、自然风等）的响应。环境激励不需要任何激励设备，不受结构尺寸和形式的限制，方便快捷，能有效实施。
通过动态试验获得的结构振动频率和振型如下所示。
▲纵向和横向传感器的布局
▲主梁振动频率及振型
※行人模拟加速度峰值测量
试验以桥附近放学后人群聚集的峰值荷载和人行天桥四个出入口封闭后的突涌荷载作为试验的两种荷载工况，分别测试桥梁在上述荷载工况下的竖向和横向加速度响应。
通过统计测量过程中拍摄的照片中的桥上行人数量，将桥上行人数量与对应时刻人行天桥的加速度响应相匹配，得出在高密度人流通行下，人行天桥处于“非常舒适”的舒适度等级。
其中，横向加速度小于0.1m/s²，因此人行天桥在该人群荷载作用下不会发生动力失稳。
经过一个月的设计、三个月的紧张施工，翔悦医院人行天桥项目于2018年3月正式投入使用，至今已使用一年半，经过500多个日日夜夜的运行验证，其外观依然亮丽如新。
祥岳医院人行天桥项目之所以既美观又舒适，得益于HD建筑研究院公建团队的努力，也得益于岳阳市政府城建投资集团的支持与指导。
公共建筑设计院是一个终身学习的团队，致力于解决复杂的城市问题，为城市的美作出贡献。
在翔悦医院人行天桥设计过程中，公共建筑设计院发现，目前为避免人行天桥共振，结构频率难以满足规范要求，通过加装TMD来控制桥面的加速度响应比通过调整结构刚度来“避开”行人的窄带频率更为经济、有效。
现行技术规范已无法支撑日益多样化的创新型钢结构天桥结构设计，修订原有设计规范、制定新的人行天桥加速度响应评估规范十分重要且必要，呼吁尽快完善并出台相应规范。
设计团队：杨晓、孙畅、方晖、李兴军、陈天乐、李鹏、杨波、赵阳、刘志博、谭斌、钟华、傅钊、哈恩铭、胡继宣、沈璐、高翔
来源：袁涛,杨晓,杨波,王毅菁等. 大跨度全钢人行天桥创新结构与美学设计[J]. 钢结构, 2019, 34(1): 60-64。
DOI: 10.13206/j.gjg.201901011
撰稿人 | 周小娟
院系 | 高清建筑与技术学院
