調諧質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.上海應用技術大學，上海201418）

景觀橋以橋梁結構作為載體，結合區域的自然和人文歷史環境，實現景觀功能；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。調諧質量阻尼器（Tuned Mass Damper，以下簡稱“TMD”）[1]作為一種有效被動控制裝置，是由質量塊、彈簧與阻尼減振器組成的獨立振動系統，一般支承或懸掛在結構上[2～4]；具有減振和經濟性好、操作簡單、易維護等特點，可以減小結構在外部環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。鋼平臺觀光區最大懸臂長度60 919 m，由12根拉索與塔柱連接。單橋寬2 m，二側單橋相交于端部。結構安全等級為二級，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

我國行業規范規定[6]，連廊和室內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 有限元建模及模態分析

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

表1 未減振結構前20階振型周期和質量參與系數

圖1 第2階振型

圖2 第4階振型

3.2 TMD布置

為達到最優減振效果，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

3.3 舒適度及減震效果分析

研究發現，外界激勵頻率越接近結構自振頻率，結構振動響應越顯著。結構總面積為2 443 m2，根據人行荷載參數，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構各個位置，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，具體工況及其結果見表3。

表3 人行荷載時程分析工況

統計時程分析結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。原結構在豎向人行荷載激勵下，當激勵頻率接近共振頻率時，加速度幅值超過規范限值0.5 m/s2，不滿足規范要求；增加TMD裝置進行減振后，結構在人行荷載激勵下，加速度幅值均被控制在0.5 m/s2以內，共振激勵下的結構加速度減振率為68.5%，減振效果明顯，滿足了規范對舒適度的要求。見表4。

表4 豎向人行荷載下原結構與TMD系統加速度對比

統計時程分析結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。原結構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，加速度幅值超過規范限值0.1 m/s2，不滿足規范要求；增加TMD裝置進行減振后，結構在人行荷載激勵下，加速度幅值均被控制在0.1 m/s2以內，共振激勵下的結構加速度減振率為84.3%，減振效果明顯，滿足規范對舒適度的要求。見表5。

表5 橫橋向人行荷載下原結構與TMD系統加速度對比

統計時程分析結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。原結構在風荷載作用下，加速度幅值超過規范限值0.15 m/s2，不滿足規范要求；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，滿足規范對舒適度的要求。見表6。

表6 風荷載作用下原結構與TMD系統加速度對比

4 結論

本文利用midas Gen對某景觀橋進行建模，首先分析未減振結構前20階振型周期和質量參與系數得到第2階振型和第4階振型對結構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，對安裝前后的數據進行分析，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。