大懸挑環形景觀橋舒適度與TMD減振分析

馬信欣 袁波 何海玉 尹浩熹 王健康 張勇

摘 要：環形景觀橋坐落于某沿海城市的風景區中，為了滿足美觀的要求，須盡量小的結構構件。這樣導致此景觀橋豎向一階頻率小于3Hz，不滿足規范要求。根據《城市人行天橋與人行地道技術規范》（征求意見稿）的要求，需對此景觀橋進行人致振動作用下的舒適度分析，并就安裝STMD與MTMD前后結構進行動力時程分析。研究表明：（1）此景觀橋未添加TMD時，當人流荷載工況≥1人/m2，其舒適度不滿足規范要求。（2）質量比為0.1%時，隨著MTMD質量塊個數的增加，減振效果也增加;質量比為0.2%與0.5%時，質量塊個數n=3的減振效果優于n=5時的減振效果。（3）在撓度最大點，STMD對位移與加速度的減振效果都優于MTMD，采用質量比為0.1%的STMD對此景觀橋進行減振控制，并為類似的大懸挑工程提供參考。

關鍵詞：舒適度;動力時程分析;TMD;MTMD

中圖分類號：TV391? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? 文章編號：1006—7973（2020）01-0104-04

隨著經濟建設的快速發展，為了緩解城市交通壓力，在行人密集地帶的主要交叉路口都會設置人行天橋。在景色優美的風景區，為了更好地讓游客欣賞風景，通常設置景觀橋。大多數景觀橋具有大跨度、大懸挑、輕柔和美觀的結構要求，但往往會使結構的基頻降低，與人行走步頻相似時就會產生共振現象[1-3]。我國規范[4]規定為避免共振，天橋上部結構豎向自振頻率不應小于3Hz。為了減少工程造價和滿足結構美觀的要求，不能無限制的增大結構的剛度和阻尼比[5-6]，只能通過添加調諧質量阻尼器TMD來進行減振。本文結合工程實例，用有限元軟件進行建模分析，采用我國《城市人行天橋與人行地道技術規范（征求意見稿）》[7]（以下簡稱征求意見稿）中規定的行人荷載模型和加速度限制進行取值， 驗算結構舒適度是否滿足要求，并且利用單個TMD即STMD與多個TMD組成的MTMD系統進行對比分析。

1 人行橋人致振動分析

1.1 工程概況

該環形景觀橋位于沿海城市的風景區的山谷中，由山中主路通過引橋進入環形景觀橋上。其建筑效果圖和結構三維圖分別如圖1和圖2所示。為了橋梁外觀更加美觀，并能更好地融入周圍自然環境中，建筑希望盡可能減少支撐墩和梁的橫截面。此橋下部結構由13根圓鋼管和3根矩形帶肋箱型鋼管組成。

平面上環形景觀橋分別由大直徑的環形棧橋（直徑48米）、中直徑的環形棧橋（直徑30米）和小直徑的環形棧橋（直徑20米）組成。一階模態質量為96t。結構豎向一階與二階自振頻率分別為1.47Hz和4.23Hz。其中一階自振頻率小于3Hz，容易發生共振，故需對該橋進行舒適度分析。

1.2 人群荷載

根據征求意見稿附錄A人群荷載計算如下：

式（1）中，ξ為阻尼比，式（3）中，fs為結構豎向模態的頻率（Hz）;S為加載面積（m2）;n'為行人流等效個數，n表示行人密度，當n<1.0人/m2時，用式（1）計算行人流等效人數，當n≥ 1.0人/m2時，用式（2）計算行人流等效人數。根據征求意見稿可知，步行荷載的加載方向應根據結構振型確定，按照使結構振動最不利方向加載，此景觀橋的豎向一階振型如圖3所示。此環形景觀橋的步行荷載加載方向如圖4所示。

根據征求意見稿劃分四種行人工況，如表1所示，各個工況得到的峰值加速度與峰值位移如表2所示。由表2可知，工況一與工況二的加速度與位移峰值較小，工況三與工況四的加速度與位移峰值均較大，并對四種工況進行舒適度驗算。

1.3 結構舒適度評價

根據征求意見稿對舒適度評價的標準表，依據此結構的相關參數，得到此景觀橋的舒適度評價如表3所示。

4 1.45 不合格

由表3可知，工況三與工況四舒適度驗算等級為不合格，因此對本結構添加STMD[8]或MTMD[9]后，再進行舒適度驗算。

2 TMD參數化分析及人行橋減振分析

2.1 TMD力學模型

TMD減振系統的模型中，假定主結構上沒有阻尼，主結構的質量為M、彈簧剛度為k1，其中TMD系統的質量為m，彈簧剛度為k2.粘性阻尼系數為c1，主結構的位移為x1，力學模型如圖5所示：

2.2? TMD參數

Den. Hartog在文獻[10]確定的STMD的最佳阻尼條件和最佳調諧條件由式（4）和式（5）確定。其中，質量比μ=m/M， m為TMD質量，M是結構模態質量，μ取0.1%～2%。根據ω2=k/m經過數學推導得出最優阻尼比copt與最優剛度比kopt，如式（6）與式（7）示。

將該工程的參數取值代入式（6）與式（7）中，得到不同質量比下TMD的參數，如表4所示。撓度最大點見圖6所示，在撓度最大點下方建立節點，約束此節點（除z方向），在兩點間添加STMD，安裝示意圖如圖7所示。在有限元軟件中分析工況三與工況四的情況下，添加STMD后的動力時程分析;并與未添加STMD前，景觀橋的豎向位移與加速度進行對比，工況三與工況四的豎向峰值加速度如表5所示。

由表5可知，同一質量比下，工況三與工況四減振效果基本相同。當添加質量比為0.1%的STMD減振系統時，工況三與工況四都滿足舒適度要求。

2.3 MTMD參數

根據文獻[11-13]可知，MTMD的優化參數調整采用MTMD-1的模型，效果最佳，即MTMD中的各個質量塊的剛度系數與阻尼系數相同，而質量與阻尼比不同。將質量比μ、頻率間隔β和平均阻尼比ζt作為調整優化參數，TMD個數取奇數個，引用MTMD的參數優化公式[14]，見下列式子。

其他參數設置為：頻率間隔0.2，質量比0.5%。MTMD的個數分別取n=3，5，7添加不同數量的MTMD后，對大懸挑結構的豎向峰值加速度和峰值位移的影響，質量比為0.5%時，n=7時MTMD的設計參數如表6所示。在撓度最大點附近建立相應的節點，此處注意MTMD安裝位置的間隔不易過大。MTMD的安裝位置如圖8所示。分析該景觀橋在工況四的情況下，質量比為0.5%時不同個數的MTMD減振效果，并與未添加TMD時的原結構進行對比分析，其結果如圖9所示。

在工況四的情況下，不同質量比下，減振后的豎向峰值加速度與位移如表7與表8所示。可知質量比為0.1%時，隨著MTMD個數增加，豎向加速度與位移的減振效果也增加。質量比為0.2%與0.5%時，n=3時的減振效果優于n=5時的減振效果。由表7與表8可知，對于此大懸挑結構，相同質量比下對于撓度最大點的減振分析，STMD優于MTMD的豎向加速度與位移的減振效果。減振后峰值加速度與位移都在允許的范圍內。

3結論

（1）選取我國規范對未添加TMD的大懸挑景觀橋進行舒適度分析，當人行荷載≥1人/m2時，不滿足舒適度要求。添加STMD阻尼器后，質量比為0.1%時，工況三與工況四減振后的峰值加速度都滿足規范要求。

（2）對于STMD，質量比為0.1%∽0.5%時，減振效果為75%∽88%，隨著質量比的增大，對此景觀橋的減振效果增加較顯著;質量比大于1%時，減振效果為91%∽93%，對此景觀橋的減振效果趨于平緩。

（3）質量比為0.1%時，隨著MTMD質量塊個數的增加，豎向加速度與位移的減振效果也增加，質量比為0.5%時，n=3時的減振效果優于n=5時的減振效果。但都小于STMD的減振效果。對于此大懸挑景觀橋采用質量比為0.1%時的STMD進行減振，以滿足舒適度要求。

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