TMD減振技術(shù)在鋼結(jié)構(gòu)人行天橋中的應(yīng)用

蔣偉 高德尚 程婷婷

摘 要：大跨度人行天橋結(jié)構(gòu)振動(dòng)基頻較低，在步行激振作用下極易發(fā)生共振現(xiàn)象。該文結(jié)合某人行天橋的動(dòng)力分析，確定了采用TMD進(jìn)行減振抑振。經(jīng)過(guò)實(shí)測(cè)對(duì)比，增加TMD系統(tǒng)后，振動(dòng)加速度有效降低，效果較好。

關(guān)鍵詞：人行天橋；TMD；減振；

中圖分類(lèi)號(hào)： U442.55 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2016）04（c）-0000-00

前言

人行天橋的設(shè)計(jì)除力學(xué)及結(jié)構(gòu)方面外更多的需要結(jié)合道路寬度及周?chē)坝^要求進(jìn)行。通常情況下，人行天橋的跨度在35～50m；而為了景觀效果，梁體高度較小，多為0.8m～1.5m；材料方面多采用鋼結(jié)構(gòu)，以便增強(qiáng)跨越能力、有利于造型設(shè)計(jì)。這導(dǎo)致該類(lèi)天橋結(jié)構(gòu)的豎向自振頻率較低，多為1.7Hz～2.85Hz。該頻率與行人正常行走的頻率十分接近，很容易產(chǎn)生豎向共振，而引起行人的不安全感。因此，《城市人行天橋及人行地道技術(shù)規(guī)范》（CJJ69-95）第2.5.4條規(guī)定：“為避免共振，減少行人不安全感，天橋上部結(jié)構(gòu)豎向自振頻率不應(yīng)小于3MPa。”

2000年6月，倫敦千禧橋開(kāi)放僅三天就不得不封閉引起廣泛關(guān)注。引起了對(duì)橋梁橫向晃動(dòng)或者扭轉(zhuǎn)共振的研究熱潮。早期設(shè)計(jì)的人行天橋?qū)φ駝?dòng)問(wèn)題認(rèn)識(shí)不足，產(chǎn)生了較嚴(yán)重的后果。因此，有必要對(duì)人行天橋的動(dòng)力特性進(jìn)行分析，確定各階模態(tài)的頻率和振型。對(duì)自振頻率較低的各模態(tài)進(jìn)行有針對(duì)性的進(jìn)行減振、抑振方面的改造。

1某橋概況

某人行天橋采用變高度簡(jiǎn)支鋼桁梁，全長(zhǎng)為100m。鋼桁梁采用拼裝結(jié)構(gòu)形式，均采用M24高強(qiáng)螺栓連接。主桁橫橋向中心距為7.5m，跨中桁高為13.3m，中部4個(gè)節(jié)間長(zhǎng)度為8m，其余8個(gè)節(jié)間長(zhǎng)度為8.5m。

全橋均為焊接H型桿件，主桁上弦桿件高560mm、寬400mm；主桁下弦桿件高460mm、寬400mm。模型邊界采用比較理想的支撐條件模擬，支座布置如圖1所示。

2振動(dòng)特性計(jì)算

2.1荷載取值

計(jì)算荷載除了自重外主要包括橋面系恒載和二期恒載。橋面系恒載取9.3kN/m，二期恒載取10kN/m，計(jì)算模型如圖2所示。

結(jié)構(gòu)的一階橫向及豎向計(jì)算頻率均小于3Hz，且與行人正常行走的頻率比較接近。應(yīng)采取有效的減振、抑振措施。

3 TMD系統(tǒng)設(shè)計(jì)及效果分析

TMD系統(tǒng)是既有結(jié)構(gòu)被動(dòng)減振控制體系中的一種，主要包括固體質(zhì)量、彈簧減震器和阻尼器等，運(yùn)行時(shí)其附著在主結(jié)構(gòu)上。設(shè)計(jì)時(shí)可以根據(jù)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和振動(dòng)特性選擇TMD的自振頻率。當(dāng)主結(jié)構(gòu)振動(dòng)時(shí)，TMD會(huì)產(chǎn)生一個(gè)與主結(jié)構(gòu)振動(dòng)方向相反的慣性力反作用在主結(jié)構(gòu)上，從而起到抑制振動(dòng)的作用。

進(jìn)行TMD設(shè)計(jì)時(shí)主要的參數(shù)包括：質(zhì)量（TMD的質(zhì)量與主結(jié)構(gòu)質(zhì)量比）、頻率（應(yīng)與主結(jié)構(gòu)振動(dòng)頻率相同或相近）、阻尼比。一般情況下，其減振效果與質(zhì)量比成正比。該橋在橫橋向及豎橋向各安裝了TMD，從表2中可以看到減振效果明顯。

4小結(jié)

（1）根據(jù)動(dòng)力分析的計(jì)算結(jié)果，鋼結(jié)構(gòu)人行天橋自振頻率較低，在步行激振作用下容易出現(xiàn)共振，增設(shè)TMD系統(tǒng)進(jìn)行減振是有必要的，且減振效果明顯。

（2）橋梁共振現(xiàn)象產(chǎn)生的根本原因?yàn)闃蛄旱慕Y(jié)構(gòu)振動(dòng)特性決定的；一定的外部能力輸入只能激發(fā)共振產(chǎn)生。人行天橋設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)適當(dāng)增大結(jié)構(gòu)阻尼，合理選擇跨徑和天橋的結(jié)構(gòu)尺寸。為適應(yīng)景觀效果，在設(shè)計(jì)階段即可考慮安裝TMD系統(tǒng)以?xún)?yōu)化天橋的結(jié)構(gòu)尺寸。

（3）TMD系統(tǒng)質(zhì)量較大，安裝時(shí)應(yīng)與既有的桿件可靠連接，必要時(shí)應(yīng)進(jìn)行加固或加勁處理。安裝位置應(yīng)保證天橋結(jié)構(gòu)重量均衡。同時(shí)應(yīng)保證日常養(yǎng)護(hù)維修可以到達(dá)。

參考文獻(xiàn)

[1] 范立礎(chǔ). 橋梁工程[M].北京：人民交通出版社， 2012.

[2] 項(xiàng)海帆、姚玲森.高等橋梁結(jié)構(gòu)理論[M] .北京，人民交通出版社，2011.

[3] 中華人民共和國(guó)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn).城市人行天橋與人行地道技術(shù)規(guī)范[S].CJJ69-95

[4] 李?lèi)?ài)群.工程結(jié)構(gòu)減振控制[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社， 2007

[5] 廖順癢.人行天橋的設(shè)計(jì)與施工[M].上海：同濟(jì)大學(xué)出版社， 1995

[6] 楊宜謙，柯在田.人行天橋的振動(dòng)控制[J].工程建設(shè)與設(shè)計(jì)，2008.02