TMD調制阻尼器在橋梁工程中的應用

王秀艷

（天津城建設計院有限公司，天津市 300122）

0 引 言

歷史上曾發生軍人列隊齊步過橋時的動載作用導致橋梁破壞的事件，當時人們僅認識到這是由于共振引起，直到2000年英國千禧橋在開通當日即發生過度橫向振動事件，并且發現其他橋上也有過同樣的過度振動現象發生，才引起了前所未有的廣泛重視。千禧橋是英國為慶祝進入21世紀而在倫敦泰晤士河上新建的一座人行橋，該橋是一座結構新穎的扁平輕巧的懸索橋，從規劃、設計以來備受關注，并于2000年6月開通，然而開放行人當日橋梁即發生過量的橫向搖擺，在減少上橋人數仍發生過量橫向搖擺的情況下，臨時關閉該橋梁。這樣一座事先大肆渲染、女王親自剪彩、耗資達1 800萬英鎊的新結構橋梁在開通3 d后就不得不關閉的重大新聞立刻傳遍了全世界。而后設計師對千禧橋的減振措施進行了研究，通過提高橋梁的阻尼來減少共振響應，以確保結構的動力穩定性。減振工程共用了包括TMD調制阻尼器在內的37個阻尼器。開通后橋梁再沒有共振現象產生，行人也沒有任何不適應的報告。

1 TMD的減振原理

TMD調制阻尼器的減振原理是在主結構（主系統）上耦合一個彈簧質量阻尼振動系統（附加系統）。當附加振動系統的固有頻率處于主系統的原固有頻率附近，則可使主系統原固有頻率處的共振峰消失，即由原主系統的單峰共振區轉變為新系統的雙峰共振區，且峰值頻率一個上移、一個下移。在理論上存在著最佳的TMD配置參數。TMD附加質量越大，減振效果越好，但往往受結構承載力和成本的限制。TMD調制阻尼器的減振效果已被國內外數百項工程實踐所驗證，包括建筑高層工程、高聳結構工程、橋梁工程和大跨度結構工程等[1]。本文以工程案例的形式來介紹TMD減振裝置在橋梁工程中的應用。

2 TMD在橋梁工程中的應用

2.1 在人行懸索橋中的應用

某人行懸索橋跨徑布置為36 m+180 m+36 m，主橋橋面總寬3.3 m，凈寬2 m（見圖1）。橋梁整體結構非常柔，一階豎向振動頻率小于3 Hz，不滿足《城市人行天橋與人行地道技術規范》（CJJ 69—1995）規范要求。

圖1 某大跨人行懸索橋

為提高該人行懸索橋在人行移動荷載作用下的舒適度，調研國內外相關規范如下：國外規范大多通過規定結構最大豎向加速度限值來確保人行的舒適度。例如，英國規范BSI（1978）規定，人體可承受的豎向加速度限值為0.78 m/s2，超出該數值人會感覺不舒服；ISO 10137：2007規范規定的該加速度限值為0.3～0.6 m/s2；歐洲EN1990規范規定人行橋面任何位置的豎向振動加速度峰值均應小于0.7 m/s2。

本文工程在分析過程中，將一般人群移動荷載作用下的橋面豎向振動和人群移動荷載作用引起的側橋向振動所產生的橋面最大峰值加速度限值定為0.5 m/s2，將極端密集人群荷載作用引起的橋面豎向振動加速度峰值定為0.78 m/s2。經優化分析，采用6個TMD質量塊，每個質量塊重0.7 t時，在人行荷載作用下橋梁能夠達到最優的減振效果。其中，中跨跨中位置設置2個TMD質量塊，距中跨跨中20 m位置各設置2個TMD質量塊。

2.2 在梁橋中的應用

某鋼結構橋梁跨徑布置為45 m+90 m+45 m，為鋼箱、鋼桁架組合梁橋，橋面上通行機動車，中跨鋼桁架結構的下層設置咖啡館及人非混行車道，橋梁造型美觀大方，但結構形式較輕柔（見圖2）。由模態分析可知，第一階豎向振動頻率為1.80 Hz，而人行頻率在1.3～2.5 Hz，當大量人群在橋上行走時，易引起橋的共振反應，會嚴重影響到行人以及咖啡廳區域的舒適度。因結構共振引起的加速度振幅過大，超過人體舒適度耐受極限，極易在心理上造成恐慌。

圖2 某鋼箱、鋼桁架組合梁橋

改善橋梁動力特性有兩種常用方法：第一種就是增大橋梁的剛度，使結構固有頻率不在人群激勵的頻率范圍內；第二種就是提高橋梁的阻尼來減少共振響應。如果采用增大主梁截面或改變結構形式的方法，從經濟角度看是不合理的，從美觀角度看也是不可行的。因此提高橋梁剛度幾乎是不可行的，減振途徑只能是提高結構阻尼。調研國內外規范，橋梁下層咖啡廳人行舒適度標準可參照《高層建筑混凝土結構技術規程》（JGJ 3—2010）表3.7.3的規定，按照人員活動環境的商場及室內連廊樓蓋控制豎向振動加速度限值，確定減振后結構峰值加速度限值為0.22 m/s2。

經過優化計算，在橋跨中部位置下部（即咖啡廳下方）布置12個TMD調制阻尼器，其中，彈簧剛度為32 kN/m，每個質量塊質量為1 000 kg。計算結果表明，該減振設計方案可有效抑制結構在人行荷載激勵和行車激勵下的振動，滿足咖啡廳使用功能要求。所有工況下，當激勵停止，結構振動自由衰減情況下，安裝TMD的結構振動衰減速度較快，表明TMD發揮了良好的減振作用。

3 結語

目前傳統的TMD產品已廣泛應用于橋梁消能減振設計中，對提高行人舒適度起到了至關重要的作用。然而傳統的TMD產品也暴露出阻尼構件與彈性元件易損耗、后期調節難、需要較多維護等諸多缺點。電渦流阻尼調諧質量阻尼器（電渦流TMD，是一種新型的TMD減振裝置）是一種抗疲勞、長壽命、無須維護的新型減振器，當結構振動時，帶動電渦流TMD往復運動，固定在質量塊的磁體會一起運動，從而在固定的導體上產生抑制質量塊相對運動的電渦流阻尼，通過電渦流阻尼，將振動能量通過導體的電阻熱效應消耗掉。隨著技術的推廣及發展，新型TMD裝置在橋梁消能減振方面具有更加廣闊的應用前景。