大跨度雙層曲線斜拉橋人致振動減振優化與實測驗證

華旭剛　溫青　陳政清　楊勇　王文熙　牛華偉

摘要：針對一座主跨200 m的人車分離雙層橋面曲線斜拉橋的人致振動問題，提出了應用連桿提高結構剛度、應用調諧質量阻尼器（TMD）增強阻尼的聯合減振方案。研究表明：在人行橋主梁與車行橋主梁之間設置三對連桿可以顯著提高結構的自振頻率，使人行橋位于人致振動敏感頻率內的模態數由8階減少為5階。該方案顯著減小了減振裝置成本，將采用純TMD方案時的100 t質量降低至40 t。通過動力試驗評估了聯合減振方案的減振效果。結果表明：安裝TMD后，人行橋橫向加速度由150人時的0.2 m/s2降低為400人時的0.06～0.08 m/s2；側向模態阻尼比提高6倍以上，豎彎模態阻尼比達到5%，沒有觀測到大幅振動現象。最后，探討了內摩擦對水平和豎向TMD性能的影響。

關鍵詞：人行橋；人致振動；振動控制；調諧質量阻尼器；電渦流阻尼

1.概述

隨著人行橋跨度的增大、輕質高強材料的應用以及對橋梁美學和城市景觀的追求，人行橋人致振動問題日益突出，減振設計已成為大跨度現代人行橋設計的一部分。人行橋人致振動的激振源是動態步行力荷載，該荷載具有明顯的周期性和隨機性，有豎向、側向和縱向三個分量。豎向步行力的頻率主要分布在2 Hz左右，橫向步行力為1 Hz左右。因此，避免結構的固有頻率落入敏感頻率范圍內是人致振動控制的方法之一，稱為頻率調整法。該方法適用于中小型橋梁，主要在設計階段進行，以提高結構的剛度為主。然而，這一措施往往很不經濟，影響橋梁的美觀和使用功能。例如，長40 m的單跨人行橋，其經濟梁高約為1.0～1.2 m左右，豎彎基頻約為2.0 Hz，然而，為滿足中國人行橋設計規范中給定的豎彎基頻超過3 Hz的需要，某主跨41 m的人行橋采用了2 m梁高的設計方案，使得橋梁顯得非常臃腫，嚴重影響美觀。

當結構發生共振時，振幅與阻尼成反比，增大阻尼可以降低振幅。因而通過附加阻尼裝置提高結構阻尼是抑制人致振動行之有效的常用方法。在人行橋的各種阻尼減振裝置中，以TMD應用最多。日本T橋應用水箱TLD/TMD進行了人致振動的臨時減振；英國倫敦千禧橋（The Millennium Bridge）聯合使用TMD和黏滯阻尼器控制人致側向和豎向振動，設置減振裝置后，其主跨一階側彎模態的阻尼比達到20%以上。葡萄牙的the Pedroe Ines人行橋安裝了7套TMD抑制1階側向和6階豎向模態人致振動，西班牙的Valladolid Science Museum Footbridge通過安裝TMD或AMD控制人致振動，中國某美術館連橋和合肥跨懷寧路人行橋均采用TMD控制人致振動。

傳統TMD通常采用黏滯流體阻尼器作為阻尼元件，由于初始剛度及阻尼器安裝問隙等影響，這類阻尼元件會提高TMD的啟動加速度。然而控制人行橋水平振動的TMD往往要求在毫米級位移下即可發揮減振作用。電渦流阻尼是一種非接觸式、無機械摩擦的阻尼裝置，它基于導體在磁場中運動時會產生與運動速度方向相反的阻尼力。將此裝置作為TMD的阻尼元件，不會提高TMD的啟動加速度，也不會附加剛度。電渦流TMD相關基礎研究和工程應用結果表明，電渦流TMD具有結構緊湊、靈敏度高等優點，能夠適應工程結構減振控制要求。

本文報道了綿陽一號橋人致振動減振設計優化與減振效果評估。綿陽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。為了滿足該地區密集人口通行的需求，該橋采用雙層橋面設計：下層橋面為車行橋混凝土箱梁，梁高3m，寬28 m；上層為人行橋鋼箱梁，梁高2 m，寬6m，主跨采用s型曲線設計，從車行橋的一側跨越到另一側。車行橋橋面和人行橋橋面各由52根和16根單索面斜拉索支撐。前期研究表明：該橋人致振動問題突出，需要采取減振措施。

結合該橋雙層橋面布置特征，提出了應用連桿提高結構剛度、應用TMD增強阻尼的聯合減振方案。本文詳細描述了聯合減振方案中連桿參數的選取、TMD參數設計與優化、以及基于動力測試結果的TMD頻率調諧等過程，通過動力試驗評估了聯合減振方案的減振效果。最后分析了內摩擦對水平及豎向TMD的影響。