調(diào)諧質(zhì)量阻尼器對斜拉橋舒適度影響分析

閆興偉，劉 楊

（1.上海路博減振科技股份有限公司，上海201418；2.上海應用技術(shù)大學，上海201418）

景觀橋以橋梁結(jié)構(gòu)作為載體，結(jié)合區(qū)域的自然和人文歷史環(huán)境，實現(xiàn)景觀功能；在保證可以欣賞到美景的同時也要照顧到游客的觀景感受。調(diào)諧質(zhì)量阻尼器（Tuned Mass Damper，以下簡稱“TMD”）[1]作為一種有效被動控制裝置，是由質(zhì)量塊、彈簧與阻尼減振器組成的獨立振動系統(tǒng)，一般支承或懸掛在結(jié)構(gòu)上[2～4]；具有減振和經(jīng)濟性好、操作簡單、易維護等特點，可以減小結(jié)構(gòu)在外部環(huán)境激勵下的振動響應。

某斜拉景觀橋在游客激勵下很容易產(chǎn)生共振，游客行走過程中會有不舒適感，從而影響觀景心情[5]。本文主要針對游客觀景體驗，以人體舒適度為切入點，利用midasGen軟件分析安裝TMD前后舒適度指標。

1 工程概況

某斜拉景觀橋觀光鋼平臺總長116.339 m，塔柱高28.250 m。鋼平臺觀光區(qū)最大懸臂長度60 919 m，由12根拉索與塔柱連接。單橋?qū)? m，二側(cè)單橋相交于端部。結(jié)構(gòu)安全等級為二級，設計使用年限50 a，抗震設防分類為8度0.20g，場地為I1類地震分組第二組。

2 舒適度要求

我國行業(yè)規(guī)范規(guī)定[6]，連廊和室內(nèi)天橋的第一階豎向自振頻率不宜＜3 Hz，第一階橫向自振頻率不宜＜1.2 Hz；德國規(guī)范[7]的控制指標為人行橋豎向加速度不超過0.5 m/s2；美國標準[8]規(guī)定商場、室外人行橋豎向振動峰值分別為0.15、0.5 m/s2；張全伍等[9]參考德國規(guī)范和美國標準，將項目的豎向峰值加速度選取為不超過0.5 m/s2。

大量的研究和試驗證明，人的舒適性感受可以采用樓蓋的振動加速度響應來進行評價[10～13]。因此本工程豎向峰值加速度限值取0.5 m/s2，橫橋向峰值加速度限值取0.1 m/s2；在風荷載作用下，水平向上加速度限值取0.15 m/s2[14]。

3 模型的建立

3.1 有限元建模及模態(tài)分析

采用目前國際通用的midasGen有限元計算軟件對整體結(jié)構(gòu)建模分析。振型數(shù)取100，使用特征值法進行整體模型的模態(tài)分析，第2階振型和第4階振型對結(jié)構(gòu)舒適度影響最大。見表1和見圖1-圖2。

表1 未減振結(jié)構(gòu)前20階振型周期和質(zhì)量參與系數(shù)

圖1 第2階振型

圖2 第4階振型

3.2 TMD布置

為達到最優(yōu)減振效果，在振動最大的位置布置12個TMD，共8 t；豎向1.51、1.7、0.77 Hz，橫橋向0.86、0.94、1.03 Hz的各2個。見圖3和表2。

圖3 TMD布置

表2 TMD參數(shù)

3.3 舒適度及減震效果分析

研究發(fā)現(xiàn)，外界激勵頻率越接近結(jié)構(gòu)自振頻率，結(jié)構(gòu)振動響應越顯著。結(jié)構(gòu)總面積為2 443 m2，根據(jù)人行荷載參數(shù)，考慮人群密度1.5人/m2，人行荷載以點荷載的形式添加在結(jié)構(gòu)各個位置，總共施加24個點荷載。

選取1.7、2.1 Hz及共振頻率1.51 Hz作為豎向加載工況頻率；0.5、1.2 Hz以及共振頻率0.87 Hz作為橫橋向加載工況頻率，不考慮步行荷載的折減系數(shù)，具體工況及其結(jié)果見表3。

表3 人行荷載時程分析工況

統(tǒng)計時程分析結(jié)果中振動響應的最大值，對比增加TMD裝置前后的加速度情況。原結(jié)構(gòu)在豎向人行荷載激勵下，當激勵頻率接近共振頻率時，加速度幅值超過規(guī)范限值0.5 m/s2，不滿足規(guī)范要求；增加TMD裝置進行減振后，結(jié)構(gòu)在人行荷載激勵下，加速度幅值均被控制在0.5 m/s2以內(nèi)，共振激勵下的結(jié)構(gòu)加速度減振率為68.5%，減振效果明顯，滿足了規(guī)范對舒適度的要求。見表4。

表4 豎向人行荷載下原結(jié)構(gòu)與TMD系統(tǒng)加速度對比

統(tǒng)計時程分析結(jié)果中橫橋向振動響應的最大值，對比增加TMD裝置前后的加速度情況。原結(jié)構(gòu)在橫橋向人行荷載激勵下，當激勵頻率接近共振頻率0.87 Hz時，加速度幅值超過規(guī)范限值0.1 m/s2，不滿足規(guī)范要求；增加TMD裝置進行減振后，結(jié)構(gòu)在人行荷載激勵下，加速度幅值均被控制在0.1 m/s2以內(nèi)，共振激勵下的結(jié)構(gòu)加速度減振率為84.3%，減振效果明顯，滿足規(guī)范對舒適度的要求。見表5。

表5 橫橋向人行荷載下原結(jié)構(gòu)與TMD系統(tǒng)加速度對比

統(tǒng)計時程分析結(jié)果中風荷載作用下振動響應的最大值，對比增加TMD裝置前后的加速度情況。原結(jié)構(gòu)在風荷載作用下，加速度幅值超過規(guī)范限值0.15 m/s2，不滿足規(guī)范要求；增加TMD裝置進行減振后，加速度幅值被控制在0.15 m/s2以內(nèi)，滿足規(guī)范對舒適度的要求。見表6。

表6 風荷載作用下原結(jié)構(gòu)與TMD系統(tǒng)加速度對比

4 結(jié)論

本文利用midas Gen對某景觀橋進行建模，首先分析未減振結(jié)構(gòu)前20階振型周期和質(zhì)量參與系數(shù)得到第2階振型和第4階振型對結(jié)構(gòu)舒橫橋向適度影響最大。針對影響比較大的陣型，進行TMD安裝布置，對安裝前后的數(shù)據(jù)進行分析，在各種頻率的步行荷載激勵下，安裝TMD之后的人行天橋的豎向振動加速度都能夠滿足舒適度要求，可見TMD起到了較好地減振效果。