大跨度自錨式人行懸索橋行人舒適度分析及振動控制研究

徐曉東 ，方圓 （安徽省交通規劃設計研究總院股份有限公司，安徽 合肥 230088）

1 引言

隨著新型建筑材料的研發應用以及城市景觀需求日益的提高，人行天橋的設計建造也向“輕”、“柔”方向不斷發展；此類人行天橋以自錨式懸索橋為典型的代表性結構，具備了城市景觀性及結構輕盈跨越能力大的特點；同時該類型橋梁也帶來恒載比例較小活載比例較大的特性，在行人荷載激勵下，容易激發結構振動從而降低行人舒適度方面的評價。

針對人行天橋在行人激勵下舒適度評價方法及振動控制的研究，我國規范尚未涉及，僅在《城市人行天橋與人行地道技術規范》（CJJ69.95）中規定人行天橋的1階豎向自振頻率須大于3Hz；對于行人天橋的發展趨勢和新結構特點，大多數自錨式人行懸索橋結構頻率不滿足國內規范的要求，需進行舒適度評價及振動控制的專項研究；目前，可參考的設計規范有“英國BSI 5400規范”、“歐洲EN 1990規范”、“瑞典Bro 2004規范”以及“國際化標準組織ISO規范”等。

本文所依托的工程實例為三跨自錨式懸索橋，屬于纜索體系橋梁結構，主跨跨度較大，上部結構采用雙邊鋼箱梁，因此，橋梁結構在人行激勵下的振動問題顯得較為突出，針對主橋結構進行行人舒適度分析及振動控制研究十分必要。

2 工程概況

主橋推薦方案為三跨連續雙塔雙索面自錨式懸索橋， 跨徑布置為：58+142+58=258m。主跨主纜垂跨比為1/6.94，為平行索面，吊索間距6.1m；索塔采用雙圓柱形，設弧形上、下橫梁；主梁全寬15m，采用雙邊箱鋼梁形式，邊跨主纜錨固段采用鋼筋混凝土箱梁結構，鋼-混凝土過渡段設在邊跨散索套與第一根吊索之間。

主梁采用雙邊箱鋼梁形式，鋼梁采用Q345D 鋼材，標準梁高2.0m，邊跨主纜錨固段采用鋼筋混凝土箱梁結構，邊跨支座處加高到3.5m。主梁頂板寬度15m，單個邊箱底板寬度2m，一個箱室。頂板厚14mm，底板厚16mm，腹板厚14mm。橫梁間距3.05m，主梁懸臂1.75m，設圓弧形隔板，厚度12mm，間距3.05m。

索塔為圓柱形，實心鋼筋混凝土結構，采用C50混凝土，塔高51.014m（45.014m），塔柱中心間距14m，上塔柱直徑2m，下塔柱直徑從2m 漸變到4.5m。塔上、下橫梁均為變高度截面，跨中高度1.5m，根部高度2.5m，梁底為圓弧形，寬度1.8m。塔頭局部加寬到直徑2.5m，放置主索鞍。

3 人行懸索橋舒適度評價方法與標準

3.1 行人激勵荷載模擬

圖1 橋跨布置示意圖

圖2 鋼箱梁標準斷面

通過國內外文獻調研，行人荷載主要有兩種激勵模擬方式：時域內的荷載模式和頻域內的荷載模式，相比之下，前者的應用要廣泛得多，而前者又包括周期性荷載模式、Dallard荷載模式、Nakamura's荷載模式等等，其中以周期性荷載模式應用最為廣泛。因此，本小節對時域內周期性荷載模式進行重點介紹，也是本文研究采用的人行荷載模擬方法。

行人激勵荷載在豎向、縱向以及橫向基本呈周期性分布，而且激勵力的大小隨著步頻的增加而逐漸增加。Bachmann等人提出行人激勵產生的橫、縱向荷載均可以采用傅立葉級數表示。其中行人激勵產生的豎向動力荷載可以表示為：

式中Fpv(t)為行人引起的豎向荷載，G為單個行人重量，ανυ為第n階豎向諧波的動載因子，Fpv為行人豎向頻步頻。

行人激勵產生的側向荷載則沒有了自重項，僅僅是波動的周期分量，可以用下式表示：

國內對于行人荷載模式的研究起步比較晚，現有的文獻中僅可以查到孫利民等人以周期性荷載模式的形式給出了豎向以及側向激勵荷載的計算公式（如下）：

對于大跨度人行懸索橋等柔性結構，由于結構的振動響應較為明顯，即使最初的步伐是隨機的，經過人橋相互作用后，行人總是會無意識的調整自己的步伐直至同步，當步頻與結構基頻接近時，便會出現同步共振現象。

以單個行人產生的行人激勵乘以一個系數來表示一群人的人群荷載引起結構的相應，即：

個體行人對結構作用產生的效應完全相互抵消時，m值取為0，當人群步伐完全同步時，m值即為人群總人數，所以m肯定是介于0和人群總人數之間。假定行走在人行橋上的人群遵循泊松分布，而且每個行人的相位角完全是隨機分布的，由此得到在不考慮人群同步效應的情況下系數m的計算方法：

國外很多關于人行橋舒適度的規范在考慮到人群荷載的作用時取作為倍增系數。

3.2 舒適度評價指標的比較

英國規范（BSI 5400）、歐洲規范（EN 1990）、瑞典規范（Bro 2004）以及國際化標準組織ISO規范對于人行荷載模式以及舒適度指標分別進行了規定，從行人荷載模式及舒適度指標兩個方面進行了匯總比較如下：

各國舒適度規范行人荷載模式比較 表2

通過對比分析可知，相比于其他三個規范，國際化標準組織ISO規范對于舒適度指標考慮因素方面更加全面，本文按照該規范提出的方法展開人行懸索橋舒適度評價及振動控制的研究。

4 基于TMD的人行懸索橋減振控制分析

4.1 分析模型及TMD參數

調諧質量阻尼器（TMD）是由質量塊、彈簧以及阻尼器三部分組成的一種裝置，安裝在需要進行減震控制的結構上。國內外學者對TMD做過大量的研究，結果表明TMD是一種非常有效的結構振動控制裝置，目前已大量地應用于高層建筑、高聳結構以及橋梁結構的振動控制中。

針對同步人群激勵下工況Ⅰ-1（4階豎向自振頻率）、工況Ⅰ-2（5階豎向自振頻率）、工況Ⅰ-3（行人正常步行頻率1.8Hz）橋面系局部出現振動反應過大不滿足舒適度規范的情況，本小節采用TMD系統進行振動控制，根據以上三個工況結構振型特點，全橋共布設5組TMD系統，布設位置為中跨跨中、中跨1/4 位置、邊跨跨中。

通過分析優化后，得出的TMD參數結果如下：

TMD參數表 表3

4.2 減振控制分析結果

圖3 TMD橋面位置布置圖

同步人群激勵下工況Ⅰ-1～工況Ⅰ-3，采用上述TMD系統前后，舒適度分析對比結果如下表所示：

同步人群激勵下舒適度評價 表4

工況Ⅰ-1為同步人群激勵下的振動分析，激振頻率為結構4階豎向自振頻率1.457Hz。圖4、5所示為設置TMD前后，結構豎向加速度峰值的對比：

5 結論

本文以某自錨式人行懸索橋為工程實例，分別對各國舒適度規范中的分析方法及舒適度評價標準進行系統剖析，并闡明人行懸索橋振動控制研究的必要性，通過本文研究主要結論如下：

（1）相對于本文比較的各國規范，國際化標準組織ISO規范對舒適度指標的評價考慮了更多影響因素，相對而言更加全面；本文按照該規范提出的方法展開人行懸索橋舒適度評價及振動控制的研究。

（2）同步人群激勵下，結構豎向加速度反應較大，中跨跨中、邊跨跨中及中跨1/4位置為控制斷面，有效加速度超出規范限值，不滿足舒適度要求；需通過合理的減振措施改善行人激勵下的舒適度。

（3）按照本文TMD系統參數的設計，采取TMD減振系統可以有效減小結構人行激振動力響應，并滿足國際標準化組織ISO規范對人行舒適度的要求。

圖4 工況Ⅰ-1橋面各位置豎向加速度峰值對比

圖5 工況Ⅰ-1設置TMD減振前后中跨跨中豎向加速度振動比較