城市人行天橋減震措施研究——以福州浦西人行天橋為例

羅慧苓，林偉

（1.福州理工學(xué)院，福建福州360506；2.福州大學(xué)土木工程學(xué)院，福建福州350116）

城市人行天橋減震措施研究——以福州浦西人行天橋為例

羅慧苓1，林偉2

（1.福州理工學(xué)院，福建福州360506；2.福州大學(xué)土木工程學(xué)院，福建福州350116）

大跨、輕質(zhì)的人行天橋振動問題突出。以福州浦西人行天橋為工程背景，建立基準(zhǔn)有限元模型，對人行天橋的減震措施進(jìn)行研究與探討。研究結(jié)果表明，設(shè)置合理活動質(zhì)量的TMD阻尼裝置減震效果明顯，可大幅減小加速度和位移響應(yīng)。

人行天橋；人致激勵；減震；TMD裝置

為了滿足日益增長的交通量問題，隨著城市道路寬度不斷加大，人行天橋跨徑隨之增加。同時出于美觀要求，目前城市人行天橋朝著大跨、輕質(zhì)及纖細(xì)化方向發(fā)展。英國千禧橋，法國Solferino橋，新加坡Changi Mezzanine橋等都出現(xiàn)過由于高密度行人通過人行天橋，結(jié)構(gòu)發(fā)生劇烈振動的現(xiàn)象［1-3］。因此，人行橋的人行激勵振動問題越來越引起了工程界的重視。目前我國相關(guān)規(guī)范僅要求人行天橋的豎向基頻必須大于3 Hz，以避免人橋共振以及結(jié)構(gòu)舒適度差，對側(cè)向振動未做考慮［4］。

日前檢測單位對福州市二環(huán)路上的多座人行鋼橋進(jìn)行檢測，測試結(jié)果表明至少10座以上的人行天橋的豎向基頻值在3 HZ以下。本文將以其中浦西人行天橋為例，依據(jù)檢測結(jié)構(gòu)現(xiàn)狀，開展人行天橋減震措施討論與研究，通用有限元模擬與驗證，提出利用TMD進(jìn)行減震并提高結(jié)構(gòu)舒適度方案，最后結(jié)合國內(nèi)外相關(guān)指標(biāo)對配備TMD減震裝置的天橋舒適度進(jìn)行評價。

1　背景工程

福州市浦西人行天橋采用單跨鋼箱梁簡支結(jié)構(gòu)形式，如圖1所示。主跨跨徑42.5m，主梁采用單箱雙室鋼箱梁，鋼材采用16Mn鋼。主梁梁高1.3m，橋面凈寬為3.8m，鋼箱梁頂板、底板及腹板厚均為20mm。主梁橫斷面如圖2所示。設(shè)計人群荷載為4.0 kN·m-2。

圖1　福州市浦西人行天橋

圖2　主梁橫斷面圖（單位：mm）

2　實橋檢測及人群行走動力分析

2.1自振頻率測試

在進(jìn)行實橋測試時，橋梁跨中處布置加速度拾振器實測加速度信號，通過模態(tài)分析，可得到橋梁振動頻率。圖3示出了實測的豎向加速度時程曲線與振動頻譜圖。分析結(jié)果表明，浦西人行天橋的豎向振動基頻僅為2.15 Hz，小于規(guī)范3 Hz的要求。

圖3　跨中實測結(jié)構(gòu)加速度時程曲線及振動頻譜圖

2.2有限元模型

根據(jù)設(shè)計圖紙，采用通用有限元分析軟件ANSYS建立有限元計算模型［5］。其中BEAM188單元模擬人行橋主梁，建立的箱梁截面及有限元模型如圖4所示。計算模型共計24個節(jié)點，23個單元。計算模型考慮縱向加勁肋對主梁剛度的增強(qiáng)，結(jié)構(gòu)兩端采用簡支約束條件。因采用雙柱支撐，約束梁端在側(cè)向的轉(zhuǎn)角自由度。有限元模型中X為順橋向，Y為側(cè)向，Z為豎向。表1示出了前三階的頻率與振型。可見結(jié)構(gòu)計算基頻為2.3 Hz，與實測基頻2.15 Hz誤差僅為7%，從而驗證了有限元模型的可靠性。

2.3人群行走動力分析

圖4　有限元計算模型

表1　有限元模型前3階頻率及振型描述

由于我國規(guī)范并未對人群行走的仿真進(jìn)行相應(yīng)的規(guī)定，本文有關(guān)人致動力響應(yīng)的分析按歐洲規(guī)范進(jìn)行［6］?；緟?shù)采用最大人群密度為1.0人·m-2，計算長度為42.5m，有效寬3.8m，得到總?cè)藬?shù)n為162人。162個行人自由行走時等效的完全同步人群數(shù)為44人（=1.85×1 620.5），單人豎向步行力幅值取為280 N。計算等效的44人完全同步時人行橋的響應(yīng)并等效為均布荷載布置于主梁。在計算中假定步行力頻率為1.5～3.0 Hz，阻尼比取為1.0%。圖5給出了無控結(jié)構(gòu)跨中節(jié)點加速度響應(yīng)譜。從圖中看出，減振前結(jié)構(gòu)的最大加速度接近到5m·s-2，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過可忍受的加速度值2m·s-2。

圖5　無控結(jié)構(gòu)在人致激勵下加速度響應(yīng)

3　減震方案研究及舒適度評價

3.1減震方案探討

提高結(jié)構(gòu)基頻，可通過改變結(jié)構(gòu)型式或截面尺寸，提高剛度得到更高的結(jié)構(gòu)固有頻率。但頻率與剛度的平方根呈正比關(guān)系，如果將剛度提高2倍，頻率僅可提高1.4倍。該方案顯然不夠經(jīng)濟(jì)，同時也在已建成橋梁中很難實施施工。也可以在橋面加設(shè)粘滯阻尼器以達(dá)到減震效果。此方法雖然可以得到較好的減震效果，但成本太大。同時需要在橋面預(yù)留空間供阻尼器安裝，直接影響使用橋?qū)捛矣绊懡Y(jié)構(gòu)美觀。

目前TMD阻尼器已經(jīng)在國內(nèi)外的大跨度以及高聳土木工程結(jié)構(gòu)中有了一定的應(yīng)用，且具有較好的減振效果，施工也較方便［7-10］。在已建橋梁上，TMD阻尼器最佳安裝位置為跨中附近截面，可安裝在橋面以下，也可欄桿內(nèi)側(cè)或者采用牛腿安裝在跨中欄桿外側(cè)，如圖6所示。

圖6　TMD安裝工程實例

3.2TMD參數(shù)設(shè)計及數(shù)值模擬

采用調(diào)諧質(zhì)量阻尼減振裝置TMD，活動質(zhì)量采用1 t和2 t并對結(jié)構(gòu)響應(yīng)進(jìn)行試算。此時TMD重量引起的箱梁附加跨中撓度分別為3.6 mm及7.2 mm，第一階自振頻率也由原來的2.3 Hz分別變?yōu)?.23 Hz以及2.15 Hz。根據(jù)結(jié)構(gòu)質(zhì)量和TMD的最優(yōu)設(shè)計原則，分別計算1 t和2 t減振裝置的最優(yōu)阻尼及剛度參數(shù)，如表2。

表2　TMD阻尼器的最優(yōu)設(shè)計參數(shù)

將TMD最優(yōu)設(shè)計參數(shù)輸入有限元模型中，計算人致激勵下分析了結(jié)構(gòu)響應(yīng)。圖7為人致激勵時采用TMD減振裝置且活動質(zhì)量為1 t時結(jié)構(gòu)跨中節(jié)點的位移和加速度響應(yīng)與無控結(jié)構(gòu)的對比圖。計算結(jié)果表明當(dāng)安裝TMD裝置后，無論是加速度還是位移響應(yīng)都減小了70%，取得較好的減振效果。

圖7　人致激勵下TMD減振裝置安裝前后結(jié)構(gòu)響應(yīng)對比圖

圖8對比了1 t及2 t活動質(zhì)量的TMD裝置時的控制效果，2 t活動質(zhì)量的TMD裝置加速度與位移響應(yīng)要小20%。

圖9列出了無控結(jié)構(gòu)和安裝有TMD裝置的結(jié)構(gòu)跨中節(jié)點加速度響應(yīng)譜。從這些結(jié)果的比較中可以證明，在人致激勵下，采用TMD減振裝置可以在很大程度上減小結(jié)構(gòu)的豎向振動的位移和加速度幅值，從而提高結(jié)構(gòu)的舒適性指標(biāo)。由于TMD裝置的參數(shù)設(shè)計及其減振效果與結(jié)構(gòu)的總質(zhì)量、結(jié)構(gòu)頻率、阻尼比等都密切相關(guān)，因此在進(jìn)行精細(xì)設(shè)計前應(yīng)進(jìn)行準(zhǔn)確的仿真模擬計算并結(jié)合實測數(shù)據(jù)進(jìn)行設(shè)計。

圖8　安裝不同活動質(zhì)量的TMD減振裝置結(jié)構(gòu)響應(yīng)對比圖

圖9　設(shè)置TMD減振裝置跨中節(jié)點加速度響應(yīng)譜對比圖

4　結(jié)論

以福州市浦西人行天橋為工程案例，根據(jù)實橋檢測結(jié)果，進(jìn)行了城市人行天橋的減震措施研究與分析，可以得到以下結(jié)論：

（1）實測橋梁基頻2.15 Hz，有限元模型計算基頻2.3 Hz，計算誤差7%，驗證有限元計算模型是可靠的。

（2）按歐洲規(guī)范進(jìn)行人致動力響應(yīng)分析表明，浦西人行天橋人致激勵下最大加速度達(dá)到5 m·s-2，超過了允許加速度2m·s-2。

（3）通過對經(jīng)濟(jì)性、施工可行性等方面比較分析，認(rèn)為橋面或橋下安裝TMD裝置的減震方案可行；設(shè)置1t質(zhì)量的TMD阻尼裝置可使得加速度和位移響應(yīng)均減小70%，減震效果明顯。

（4）為了獲取最優(yōu)減震效果，應(yīng)進(jìn)行準(zhǔn)確精細(xì)的模擬仿真計算并結(jié)合實橋檢測結(jié)果，對比不同活動質(zhì)量的效果，進(jìn)行TMD裝置的合理設(shè)計。

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（責(zé)任編輯：夏婷婷）

Research on Damping Measure of City Footbridge——Taking Puxi Pedestrian Bridge in Fuzhou as a Example

LUO Huiling1，LINWei2
（1.Fuzhou Institute of Technology，F(xiàn)uzhou Fujian 350506；2.School of Civil Engineering，F(xiàn)uzhou University，F(xiàn)uzhou，F(xiàn)ujian 350116）

Vibrations is an issue of increasing importance in current footbridge with large span and light quality.In this paper，the finite elementmodel is set up for response analysis of the footbridge due to human activity according to the Eurocode.The analysis results show the response displacementand acceleration of the structure are decreased sharply after installing TMD with rational activity quality.

footbridge；human activity；damp；TMD

F830

A

1674-2109（2016）06-0080-04

2016-01-07

羅慧苓（1978-），女，漢族，工程師，主要從事結(jié)構(gòu)工程方向研究。