調諧質量阻尼器(TMD)在某景觀橋中的應用分析

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)

0 引 言

調諧質量阻尼器(tuned mass damper，TMD)常作為減小結構在外部環境激勵下的振動響應系統，系統是由質量塊、彈簧與阻尼減振器組成的，一般支承或懸掛在結構上[1,2]。本文結合某景觀橋項目，采用國際通用 Midas Gen[3]軟件對項目進行建模分析人行荷載激勵下的動力特性，根據分析數據為其設計 TMD，再針對安裝 TMD 前后的結構響應進行對比。最后，對實際結構安裝TMD 解鎖前后進行現場測試以及對比分析，最終得到的工況數據均滿足要求，表明TMD在此項目中減振方面起到了良好的作用。本項目主要采用上海路博減振科技股份有限公司的產品,如圖1所示。

圖1

1 某景觀橋模型分析

1.1 工程概況

某景觀橋建筑結構安全等級為二級，建筑抗震設防分類為8度0.20g，設計使用年限為50年，采用斜拉橋構造，觀光鋼平臺總長116.339 m，鋼平臺觀光區最大懸臂長度60.919 m，塔柱高度28.250 m，由12根拉鎖與塔柱連接，如圖2所示。

圖2 建筑效果CAD圖

1.2 舒適度指標選取

大量的研究和實驗證明，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[4-7]。舒適度指標的選取根據文獻顯示，德國規范[8]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 AISC-11[9]規定商場、室外人行橋豎向振動峰值分別為 0.15 m/s2和0.5 m/s2。JGJT 441-2019《建筑樓蓋結構振動舒適度技術規程》第4.2.3條規定：連廊和室內天橋的第一階豎向自振頻率不宜小于3Hz，第一階橫向自振頻率不宜小于1.2Hz[10]。連廊和室內天橋的振動峰值加速度不應大于表4.2.3的限值。

因此本項目豎向峰值加速度限值取為0.5 m/s2，橫橋向峰值加速度限值取為0.1 m/s2。根據GB 50009-2012《建筑結構荷載規范》規定，在風荷載作用下，加速度限值為0.15 m/s2[11]。

1.3 建模分析

本項目采用midasGen對整體結構建模。振型數目取值為100，使用特征值法進行整體模型的模態分析。通過觀察結構振型可以看出，第4階振型對結構豎向適度影響最大,見表1。

表1 未減振結構4階振型周期與質量參與系數

第4階振型模態頻率為1.51 Hz，其振型如圖3所示。

圖3 第4階振型

根據分析數據為達到最優減振效果，一共布置4個TMD，布置位置如圖4所示。TMD參數包括豎向1.51 Hz數量2個，1.7Hz數量2個。

圖4 TMD布置示意圖

根據人行荷載參數，考慮人群密度1.5人/m2，選取1.7 Hz、2.1 Hz以及共振頻率1.51 Hz作為豎向加載工況頻率。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。由表2中的分析結果可以看出，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。

表2 豎向人行荷載下原結構與TMD系統加速度對比

2 現場振動測試方案

2.1 結構自振頻率測試

利用脈動法測試結構基本自振頻率，以此作為TMD頻率調試的基準頻率。測試時禁止周圍人員走動和施工作業。傳感器布置在景觀橋的端部振動最大的位置，主要測量豎向的自振頻率。測點位置如圖5所示。

圖5 測點位置

2.2 步行荷載激勵

測試在不同頻率人行荷載激勵下結構的響應。

(1)傳感器的布置：橋面懸臂最遠端位置。

(2)測試在4人行走及7人行走工況下橋面的豎向加速度。

2.3 TMD控制效果評價

通過對安裝TMD前后景觀橋的頻率與規范限值進行對比。若加速度峰值在舒適度要求的限值之內，則說明TMD的安裝是有效果的。

3 現場測試效果分析

3.1 解鎖前人行天橋自振頻率

針對解鎖前人行天橋的自振頻率進行測試，由測試結果可知人行天橋以懸臂端豎向振動為主的自振頻率為1.61 Hz，與計算結果得到的1.51 Hz非常接近，精度得到保障。測試在4人行走及7人行走時景觀橋的豎向加速度，結果見表3。

表3 解鎖前步行荷載激勵下結構加速度響應峰值(舒適度限值：0.5m/s2)

由以上數據可知，解鎖前自振測點一峰值加速度為0.054 m/s2，測點二峰值加速度為0.087 m/s2均無異常；步行激勵下，4人行走測點一峰值加速度0.605 m/s2，測點二峰值加速度0.709 m/s2，7人行走測點一峰值加速度1.106 m/s2，測點二峰值加速度1.309 m/s2，均不滿足舒適度要求。

3.2 步行荷載激勵

測試在4人行走及7人行走時景觀橋的豎向加速度，結果如表4所示。豎向加速度峰值小于0.5 m/s2，滿足舒適度的標準。

表4 步行荷載激勵下結構加速度響應峰值(舒適度限值：0.5 m/s2)

3.3 現場效果分析

根據舒適度標準，要求加速度峰值不超過0.5 m/s2。而通過現場實測的結果顯示，在各種工況下結構的加速度反應均滿足舒適度要求，說明TMD起到了很好的減振效果。步行荷載激勵時的最大豎向加速度為0.346 m/s2，均小于舒適度標準要求的0.5 m/s2。其中，步行荷載工況下，由于受到其他施工的干擾，加速度時程曲線中存在明顯的沖擊作用，實際由步行產生的豎向加速度數值更小。

4 結 論

通過對某景觀橋建模與實測情況的分析，得到以下結論及建議：

(1)通過建模分析結構的第4階振型對結構豎向適度影響最大，為達到最優的減振效果采用加裝4個TMD進行減振，選取結構的結構豎向振動頻率為1.51 Hz，通過對結構舒適度的分析發現，加裝TMD后豎向人行荷載激勵下結構豎向加速度均小于0.5 m/s2，共振激勵下的結構豎向加速度減振率為68.5%，滿足舒適度的要求。分析可得加裝TMD的效果明顯。

(2)現場實測可知人行天橋以懸臂端豎向振動為主的自振頻率為1.61Hz，與計算結果得到的1.51Hz非常接近，驗證建模分析選取頻率有效，精度得到保障。

(3)現場實測在解鎖TMD之前的測點一和測點二的豎向人行荷載激勵下結構豎向加速度均不滿足舒適度要求。

(4)步行激勵下，4人行走測點一峰值加速度由原來的0.605 m/s2降低到0.167 m/s2，豎向加速度減振率為72.4%，測點二峰值加速度由原來的0.709 m/s2降低到0.346 m/s2，豎向加速度減振率為51.1%；7人行走測點一峰值加速度由原來的1.101 m/s2降低到0.205 m/s2，豎向加速度減振率為81.5%，測點二峰值加速度由原來的1.309 m/s2降低到0.285m/s2，豎向加速度減振率為76.4%，均滿足舒適度要求。

(5)建模分析中共振激勵下的結構豎向加速度減振率為68.5%，實測數據中共振激勵下的結構豎向加速度平均減振率為70.3%，由此可見自振頻率的選取還是有一定的影響，總體來看對舒適度的影響不大，均滿足舒適度要求。

綜上所述，在實際工程中建模分析的數據可信度還是非常高的，而且在減振效果方面TMD的安裝對整個項目減振效果非常好，所以建議在工程項目允許的情況下考慮加裝TMD產品。