调谐质量阻尼器(TMD)在钢结构人行天桥维修中的应用研究

调谐质量阻尼器(TMD)在钢结构人行天桥维修中的应用研究

□□ 原国华(山西省交通科学研究院，山西 太原030006)

摘要：主要对某钢结构人行天桥的主要病害进行了分析，提出了一种在箱梁内部安装调频质量阻尼器(TMD)的新技术。箱梁改造后进行了加固效果分析，结果表明安装调频质量阻尼器(TMD)后大大降低了钢箱梁共振效应，减少了行人的不安全感，保证了桥梁的安全运营和耐久性能。

关键词：钢箱梁；病害；调频质量阻尼器

文章编号：1009-9441(2015)02-0021-03

中图分类号：TU 352.1

文献标识码：B

作者简介：原国华(1981-)，男，山西河津人，工程师，硕士，2005年7月毕业于太原理工大学土木工程专业，2008年6月硕士研究生毕业于兰州理工大学结构工程专业，从事桥梁隧道工程管理工作。

收稿日期：2015-03-10

引言

某钢结构人行天桥桥身呈半圆形，半径38.0 m，桥宽3.8 m，桥长123.3 m，主梁为3跨连续钢箱梁，跨径组合为：37.6 m+44.1 m+37.6 m，桥台处各加长2.0 m的悬臂。钢箱梁高1.122 m，顶板宽3.8 m，底宽1.8 m，梁下采用橡胶支座，下部结构桥台为矩形截面Y形立柱，桥墩均为圆形独柱，均采用钢筋混凝土扩大基础。

该桥修建于1988年，设计人群荷载为4 kN/m2，全桥人行梯道4处，位于各墩台处，由预制钢筋混凝土踏板现场拼装组成，天桥平面图见图1。2009年对该桥进行了全面检测和脉动试验，检测结果及试验数据表明需对该天桥进行耐久性处理，降低桥梁共振效应。

图1　天桥平面图

1桥梁的主要病害

检测单位对该桥进行了全面检测和脉动试验，检测结论为：该钢结构天桥钢箱梁前三阶自振频率为1.623 Hz，2.337 Hz和2.984 Hz，前三阶频率均不能满足CJJ 69—95《城市人行天桥与人行地道技术规范》的要求。

为了减少行人的不安全感，避免桥梁共振，钢箱梁竖向自振频率应≮3 Hz，根据检测数据判断，该天桥钢箱梁竖向刚度较低，行人行走过程中易激发共振。另外，行人在桥上行走过程中，感觉到桥有些晃动，存在较大的安全隐患。

2该桥共振的危害及解决措施

该桥采用钢箱主梁和钢筋混凝土桥面铺装，根据检测报告，该桥主梁存在共振问题。按照设计的分析计算，在充分考虑通行的行人荷载时该桥的跨中振幅为3.9 mm，安装调频质量阻尼器(TMD)[1]后的振幅可减小到2 mm。

在项目设计过程中，曾对该桥的实际振幅进行过测量，因当天天气寒冷，每跨的通行人数平均为15人左右，测得的实际最大振幅为1.5 mm左右，依此推算该桥的实际刚度小于理论分析计算的刚度，即桥梁的共振引起的震动幅度>3.9 mm，这与桥梁的施工质量有很大关系。

2.1　主梁振幅较大对桥梁造成的隐患

(1)行人通过时会产生不安全感，长时间在桥上站立时会产生眩晕感。

(2)主梁的实际变形大于理论计算值，无形中增大了主梁材料的应力值，在长期的反复作用下，容易引起钢材本身和焊接部位的疲劳破坏。

(3)桥面混凝土铺装层和混凝土护栏底座在存在较大变形的情况下容易出现裂缝和破损，影响了桥梁的耐久性能和排水性能。

2.2　解决方案的选择

在桥梁频率与人行频率接近出现共振时，其解决办法可以分为调整策动力频率、结构固有频率和振幅等3种方法。

(1)调整策动力频率即调整行人步伐，不可能实现。

(2)调增结构固有频率可采用的方法是增高主梁的截面高度或减小主梁的跨径。通过增加桥墩的方法提高主梁刚度需占用桥下道路，无法实现。如果采用增大主梁截面高度或设置斜拉方式提高主梁刚度，无论是从对交通等造成的影响考虑，还是从造价考虑，均与新建1座桥梁相当，其经济效益和社会效益低。

(3)调整振幅的方法，即本次设计采用的通过安装调频质量阻尼器(TMD)来降低振幅、减小共振效应的方法。

2.3　调频质量阻尼器(TMD)的工作机理

调频质量阻尼器(TMD)是近年来发展起来的结构被动控制系统，利用结构共振原理，通过调整TMD系统与主体结构的质量比、频率比和TMD系统的阻尼比等参数，促使系统吸收更多的振动能量，从而达到减轻主体结构的振动响应的目的。

TMD系统由3部分组成，分别为弹簧、阻尼器和质量块，在天桥主梁的跨中附近安装TMD，在外激励作用下主梁产生振动时，带动TMD系统一起振动，TMD系统相对运动产生的惯性力反作用于结构上，调谐这个惯性力，使其对结构的振动产生限制作用，从而达到减小主梁振动响应的目的。

2.4　调频质量阻尼器(TMD)的结构组成

调频质量阻尼器(TMD)的结构组成见图2。

图2　调频质量阻尼器(TMD)实物图

本项目采用的阻尼器为北京奇太振控科技有限公司组装的产品，该产品除粘滞阻尼器部分由美国Taylor公司生产外，其余为国内生产。粘滞阻尼器的设计使用寿命为30年，为该套阻尼器的关键构件；其余部分的使用寿命与桥梁使用年限相同。

2.5箱梁内调频质量阻尼器(TMD)的布置[2]

钢箱梁结构竖向一阶自振频率为1.623 Hz，与行人激振区间相近或接近。为了降低桥梁发生共振或准共振时的动力响应，避免振动位移超限，在全桥各跨跨中附近各安装4组TMD系统，合计共12组TMD系统，TMD的布置见图3。

图3　调频质量阻尼器(TMD)布置图

另外，在设计过程中，对本桥安装的阻尼器除了进行振动分析外，还进行了承载能力计算，在有效减小共振效应的情况下，也满足承载能力的要求。

在调频质量阻尼器(TMD)安装完成后，委托第三方检测单位对该桥的动力性能(频率、振幅和动力加速度)进行检测，以确保阻尼器的安装效果。

3调频质量阻尼器(TMD)的加固效果

3.1　测试内容

桥梁安装调频质量阻尼器(TMD)后检验其舒适性状况，需对钢结构人行天桥在正常使用状态下的竖向加速度进行测试。

3.2　测试方法

依据人行天桥的结构形式和受力特点，确定每跨跨中位置为振动的最大点。在每跨跨中位置布置加速度传感器，采集行人从该跨起点行走到该跨终点的时程数据，然后判断该桥各跨的振动情况。

3.3　测试仪器

(1)分析软件：“Vib'SYS振动信号采集、处理和分析”软件。

(2)采集仪：型号WS-5921/U60216-C8，其技术参数为：分辨率：16位；采样频率：200 kHz；采集通道：16路；测量量程：±10 V；增益：1、2、4、8、16。

(3)传感器：型号KD12000L，其性能指标见表1。

3.4　测试程序

在钢结构天桥跨中布置加速度传感器，然后分3次进行测试。组织人员从该跨的起点按正常行走的速度步行到该跨终点，同时进行数据采集。

表1　传感器的性能指标

在测试过程中，行人必须按照统一的步调行进，测试结束后对桥梁在无行人时各跨的振动情况也进行了检测，然后进行对比分析。

3.5　测试结论

测试结束后，对测试报告进行分析，得出振动响应数值在可接受的范围内。由于缺少桥梁加固前的加速度对比数据，因而无法定量地分析减震效果。从与最初的模型分析结果的比较来看，在人行荷载作用下，钢箱梁天桥各跨的加速度均在0.65 m/s2左右，从数据分析判断出调频质量阻尼器(TMD)的减震效果明显，减震幅度在50%左右。

4结语

对于钢结构天桥维修中主梁存在的振动问题，可以通过安装调频质量阻尼器(TMD)的方法得到有效解决，以达到减少钢箱梁的动力响应，消除通行人群的不安全感，并降低桥上混凝土构件破损的概率，从而增强桥梁的耐久性能。

参考文献：

[1] 张耀庭，刘再华.新型调谐质量阻尼器(TMD)的实用性与可行性研究[J].岩土工程学报，1998，20(6)：57-61.

[2] 郭殿军.某人行天桥病害分析及加固措施[J].山西交通科技，2011(6)：54-56.

(编辑盛晋生)