大跨度双层曲线斜拉桥人致振动减振优化与实测验证

华旭刚　温青　陈政清　杨勇　王文熙　牛华伟

摘要：针对一座主跨200 m的人车分离双层桥面曲线斜拉桥的人致振动问题，提出了应用连杆提高结构刚度、应用调谐质量阻尼器（TMD）增强阻尼的联合减振方案。研究表明：在人行桥主梁与车行桥主梁之间设置三对连杆可以显著提高结构的自振频率，使人行桥位于人致振动敏感频率内的模态数由8阶减少为5阶。该方案显著减小了减振装置成本，将采用纯TMD方案时的100 t质量降低至40 t。通过动力试验评估了联合减振方案的减振效果。结果表明：安装TMD后，人行桥横向加速度由150人时的0.2 m/s2降低为400人时的0.06～0.08 m/s2；侧向模态阻尼比提高6倍以上，竖弯模态阻尼比达到5%，没有观测到大幅振动现象。最后，探讨了内摩擦对水平和竖向TMD性能的影响。

关键词：人行桥；人致振动；振动控制；调谐质量阻尼器；电涡流阻尼

1.概述

随着人行桥跨度的增大、轻质高强材料的应用以及对桥梁美学和城市景观的追求，人行桥人致振动问题日益突出，减振设计已成为大跨度现代人行桥设计的一部分。人行桥人致振动的激振源是动态步行力荷载，该荷载具有明显的周期性和随机性，有竖向、侧向和纵向三个分量。竖向步行力的频率主要分布在2 Hz左右，横向步行力为1 Hz左右。因此，避免结构的固有频率落入敏感频率范围内是人致振动控制的方法之一，称为频率调整法。该方法适用于中小型桥梁，主要在设计阶段进行，以提高结构的刚度为主。然而，这一措施往往很不经济，影响桥梁的美观和使用功能。例如，长40 m的单跨人行桥，其经济梁高约为1.0～1.2 m左右，竖弯基频约为2.0 Hz，然而，為满足中国人行桥设计规范中给定的竖弯基频超过3 Hz的需要，某主跨41 m的人行桥采用了2 m梁高的设计方案，使得桥梁显得非常臃肿，严重影响美观。

当结构发生共振时，振幅与阻尼成反比，增大阻尼可以降低振幅。因而通过附加阻尼装置提高结构阻尼是抑制人致振动行之有效的常用方法。在人行桥的各种阻尼减振装置中，以TMD应用最多。日本T桥应用水箱TLD/TMD进行了人致振动的临时减振；英国伦敦千禧桥（The Millennium Bridge）联合使用TMD和黏滞阻尼器控制人致侧向和竖向振动，设置减振装置后，其主跨一阶侧弯模态的阻尼比达到20%以上。葡萄牙的the Pedroe Ines人行桥安装了7套TMD抑制1阶侧向和6阶竖向模态人致振动，西班牙的Valladolid Science Museum Footbridge通过安装TMD或AMD控制人致振动，中国某美术馆连桥和合肥跨怀宁路人行桥均采用TMD控制人致振动。

传统TMD通常采用黏滞流体阻尼器作为阻尼元件，由于初始刚度及阻尼器安装问隙等影响，这类阻尼元件会提高TMD的启动加速度。然而控制人行桥水平振动的TMD往往要求在毫米级位移下即可发挥减振作用。电涡流阻尼是一种非接触式、无机械摩擦的阻尼装置，它基于导体在磁场中运动时会产生与运动速度方向相反的阻尼力。将此装置作为TMD的阻尼元件，不会提高TMD的启动加速度，也不会附加刚度。电涡流TMD相关基础研究和工程应用结果表明，电涡流TMD具有结构紧凑、灵敏度高等优点，能够适应工程结构减振控制要求。

本文报道了绵阳一号桥人致振动减振设计优化与减振效果评估。绵阳一号桥是一座三跨斜拉桥，跨径布置为100 m+200 m+100 m，如图1所示。为了满足该地区密集人口通行的需求，该桥采用双层桥面设计：下层桥面为车行桥混凝土箱梁，梁高3m，宽28 m；上层为人行桥钢箱梁，梁高2 m，宽6m，主跨采用s型曲线设计，从车行桥的一侧跨越到另一侧。车行桥桥面和人行桥桥面各由52根和16根单索面斜拉索支撑。前期研究表明：该桥人致振动问题突出，需要采取减振措施。

结合该桥双层桥面布置特征，提出了应用连杆提高结构刚度、应用TMD增强阻尼的联合减振方案。本文详细描述了联合减振方案中连杆参数的选取、TMD参数设计与优化、以及基于动力测试结果的TMD频率调谐等过程，通过动力试验评估了联合减振方案的减振效果。最后分析了内摩擦对水平及竖向TMD的影响。