大跨度雙層曲線斜拉橋人致振動試驗研究

溫青 華旭剛 陳政清 楊勇 康孝先

摘要： 自英國倫敦千禧橋因大幅橫向振動問題導致開通三日不得不關閉事件以來，人行橋的振動問題（尤其是大幅橫向振動）受到了學術界與工程界的普遍關注。以一座主跨200 m的人車分離雙層橋面曲線斜拉橋為背景，采用理論分析和現場試驗手段對大橋的橫向與豎向人致振動響應進行了理論分析與現場實測研究。人群行走動力試驗表明，大橋在0.125人/m2的人群密度下發生了大幅橫向振動，0.2 m/s2可以作為引發橫向動力失穩臨界橫向加速度值；橋面實測豎向動力響應遠小于相同人群下的理論分析值。 依據倫敦千禧橋試驗數據建立的Dallard公式能夠較好地預測橫向動力失穩臨界人數；簡化單模態共振分析方法會顯著高估豎向加速度響應，尤其是對于模態頻率偏離步行力卓越頻率的情況。

關鍵詞： 人行橋； 人致振動； 動力試驗； 橫向動力失穩

中圖分類號：U448.11文獻標志碼： A文章編號： 10044523（2016）04058509

DOI：10.16385/j.cnki.issn.10044523.2016.04.004

引言

近年來，隨著大量高強輕質材料的廣泛應用以及對橋梁美觀的追求，人行橋朝著大跨輕質、造型奇特的方向發展，人行橋的振動問題及其帶來的舒適性問題也日益突出。例如，2000年建成的英國倫敦千禧橋是跨徑布置為81 m+144 m+108 m的三跨扁平懸索橋，大橋在開通當日發生了加速度峰值達0.25g的大幅橫向晃動，在采取限制人流措施并沒有得到明顯改善振動問題的情況下不得不關閉以研究加固方案[12]。自這一事件以來，人行橋的振動，尤其是橫向振動問題，受到了學術界與工程界的普遍關注[3]。事實上日本的Toda斜拉橋[4]和葡萄牙的Pedro e Inês人行橋[5]、以及中國武漢長江大橋等都發生過大幅橫向人致振動事件。這些有害的振動嚴重影響橋梁的舒適性，并可能造成結構疲勞。因此，柔性橋梁的人致振動及行走舒適性問題是大跨度人行橋動力設計中必須要解決的問題。

橋梁的人致振動問題本質上屬于行人與橋梁相互作用的范疇。行人在行進過程中身體重心的往復運動會在豎向、橫向和縱向三個方向產生周期性變化的動力荷載[68]，當人行橋結構的某階頻率與步行力荷載頻率接近時，會產生人致共振現象；振動的橋梁反過來又可能影響行人的步頻。當跨徑較小時，人橋相互作用較弱，橋梁的人致振動問題簡化為人群隨機豎向步行力荷載作用下結構多階模態的受迫振動，若結構振動頻率落入豎向步行力頻率范圍內，就可能產生豎向共振，引發行走舒適性問題。當人行橋主跨超過80 m后，其側彎振動基頻將小于1.0 Hz，結構還存在特殊的橫向動力失穩問題[910]。橫向動力失穩是指當人行橋側彎頻率位于橫向步行力荷載頻率范圍內時，很少的人群就可能激發橫向“鎖定”，人群的步伐趨于一致，從而進一步加劇橫向振動響應，導致人行橋發生大幅橫向振動。

橋梁人致振動響應分析包括人群荷載作用下的豎向和橫向加速度響應分析，以及更為重要的橫向動力失穩臨界人數估算問題。前者一般簡化為在已知豎向和橫向步行力荷載作用下結構響應分析問題；而后者則表現為基于橋梁運動與橋上行人的運動之間某種相互作用力模型的結構動力穩定性判別問題。根據相互作用力模型的區別，橫向動力失穩計算模型有Dallard模型[1]，Roberts模型[11]，Nakamura模型[12]，Newland [13]等，中國袁旭斌博士及孫利民教授也對人致橫向振動問題進行了研究[14]。目前，中國現有人行橋的規范要求豎向頻率大于3.0 Hz，對輕柔的大跨人行橋很難做到，因而都要細致分析橋梁在設計人群密度下的豎向及橫向加速度響應幅值；對更為嚴重的橫向振動穩定問題沒有涉及。

目前，人致振動理論分析方法已取得較多成果，然而大跨人行橋的實橋人群試驗研究相對較少[12，1416]。綿陽一號橋是一座主跨跨徑為200 m的雙層橋面曲線斜拉橋，上層人行橋主梁采用鋼箱梁，具有頻率低、阻尼小和質量輕的特點，人致振動問題突出。本文以該橋為工程背景開展了人群荷載作用下主梁豎向和橫向人致振動響應的理論分析與現場實測對比研究。為提高理論分析的精度，本文還采用環境振動、自由振動和強迫振動等方法對大跨度人行橋典型振動模態參數進行了識別。

1工程背景

綿陽市一號橋是一座三跨斜拉橋，跨徑布置為100 m+200 m+100 m，如圖1所示。為滿足該地區密集人口通行需求，該橋采用雙層橋面設計：下層為混凝土箱梁車行橋，梁高3 m，寬28 m，主梁單位長度重約60 t；上層為鋼箱梁人行橋，梁高2 m，寬6 m，主梁單位長度重約5 t，主跨采用S型曲線設計，從車行橋的一側跨越到另一側。車行橋和人行橋分別采用26對和16對單索面斜拉索支撐。兩者共用兩座倒Y型橋塔，橋塔錨固區為鋼結構，其他區為混凝土結構。兩者的主梁均采用半漂浮體系，橋塔橫梁與兩主梁之間均設置了縱向阻尼器。

Abstract： Since the wellknown closure of the London Millennium Bridge after its openings of three days caused by the excessive lateral humaninduced vibration， the humaninduced vibration has received wide attention from both academic researchers and structural engineers. In this study， theoretical and experimental studies are carried out to evaluate the humaninduced vibrations of a curved cablestayed bridge with a main span of 200m and separated deck system for traffics and pedestrians. Pedestrian stream test shows that the bridge experiences excessive lateral vibrations when it is loaded with a walking stream of 0.125 person/m2 and the threshold of peak acceleration for initializing the humaninduced lateral dynamic instability is about 0.2m/s2； the humaninduced vibration amplitude in vertical direction is far less than that predicted by the simple SDOF resonant model at the same pedestrian density. The Dallard formulae derived from actual test data on the London Millennium Bridge can be used to estimate the critical pedestrian for causing the lateral dynamic instability with good accuracy. The humaninduced vertical accelerations obtained with the simplified SDOF resonant model will be significantly overestimated， especially when the modal frequency deviates from the dominant forcing frequency.

Key words： footbridge； humaninduced vibration； dynamic tests； lateral synchronal excitation