新型钢板组合梁桥车桥耦合振动控制研究

夏飞龙 王林凯 王胜斌 吴肖波

(1.安徽省交通规划设计研究总院股份有限公司 合肥 230000；2.公路交通节能环保技术交通运输行业研发中心 合肥 230000；3.中铁大桥科学研究院有限公司 武汉 430034； 4.桥梁结构健康与安全国家重点实验室 武汉 430034)

钢板组合梁桥是组合梁桥中的一种重要类型，特别适用于中小跨径。早期的组合钢板梁桥纵梁数量较多，且纵梁之间设置多道横梁、水平及竖向横撑与加劲肋，用于保证钢板梁间的整体性。这种钢板组合梁桥构件多而复杂、加工与维修成本高，构件受力及传力不明确。20世纪80年代后法国和日本开始集中力量进行新型钢板组合梁桥的开发研究，新型钢板组合梁桥对传统的结构体系进行了大幅度的简化，并以双主梁或少主梁为主[1-2]。

新型钢板组合梁桥具有结构简洁、用钢量小、自重轻、建造管养成本低的优点，近年来在国内得到广泛应用[3]。然而由于结构自重轻，车辆质量与主梁的模态质量之比较大，导致桥梁在车辆活荷载作用下的振动响应比较明显[4-5]。为降低车辆荷载引起的桥梁结构振动，延长桥梁使用寿命，降低其维护管养费用，有必要进行减振研究[6-7]。

液体质量双调谐减振器(TLMD)是基于理论及试验研究，在调频质量阻尼器(TMD)的基础上，利用调谐液体阻尼器(TLD)的优点研发的一种新型减振器。TLMD是TMD和TLD的复合体，由于流体与固体的耦合作用，TLMD有比两者组合更好的减振效果[8]。TLMD应用于九江长江大桥吊杆涡振的振动控制中，实桥试验结果显示减振效果显著[9]。本文以国内某一新型钢板组合梁桥为研究背景，通过减振前后数值模拟和实桥测试，验证在该桥跨中安装TLMD的减振效果。

1 工程概况

1.1 桥梁振动控制方案概况

某高速公路跨河引桥长10.625 km，桥梁上部结构采用单跨为35 m四跨一联的双工字钢-混凝土板组合梁桥。桥梁按双向四车道高速公路的标准设计，双幅全宽26.5 m，半宽13 m。钢主梁采用Q345D工字形直腹板钢梁，混凝土桥面板和钢主梁通过剪力钉连接，双主梁之间采用中横梁加强横向联系，中横梁标准间距为5.0 m。

双工字钢主梁跨中安装多重液体质量双调谐阻尼器(MTLMD)，其布置示意见图1，其工作原理为利用调谐式阻尼器振动传递机理，将主梁的竖向振动机械能传递到TLMD质量块上，质量块浸泡在黏滞流体中，将能量转换成热能耗散。每跨跨中设置1处阻尼器，每处在钢主梁梁底设置2个阻尼器。

图1 TLMD布置图

1.2 有限元模型

采用ANSYS软件建立钢板组合梁桥有限元模型见图2，桥面板采用Shell63单元，双工字钢主梁及横梁均采用Beam188单元，桥墩采用Beam188单元，桥墩底部全部固结，桥墩上部与主梁通过节点耦合约束。

图2 新型钢板组合梁桥有限元模型

1.3 动力特性

对该桥有限元模型进行模态分析，部分振型见图3。

图3 新型钢板组合梁桥前四阶振型图

经计算可知，该桥前四阶固有频率分别为2.73，2.95，3.15和3.29 Hz，故认为该桥前四阶固有频率较为接近，在不同车辆和车速下可能会发生多个频率的振动。

2 TLMD减振效果理论分析

2.1 TLMD减振效果参数分析

实际桥梁结构在运营过程中，受控频率可能会与设计频率存在一定偏差，对于单个TLMD来说，可控的频率范围很窄，一旦主结构的频率偏离出可控频率范围以外，控制效果会大打折扣。因此，在TLMD设计时设置频率调节装置，在实际安装过程中，根据现场实测频率对TLMD的设计频率进行微调；另一方面，设计多组TLMD，每组TLMD的频率稍有不同，可以提高TLMD的有效控制频率范围。如果空间允许，建议采用多个小TLMD代替一个大型的TLMD，防止TLMD失效对结构造成的损伤。

多重TLMD-主结构系统示意图见图4。

图4 主结构-MTLMD系统示意图

主结构-MTLMD系统的动力学方程为

(1)

以往的参数优化方法大多单一的以主结构响应最小为优化目标进行MTLMD的参数优化，但是从已有在实桥上应用的MTLMD可以发现，单纯追求主结构的响应最小，会使MTLMD的相对位移过大，导致其构件疲劳破坏，缩短MTLMD的使用寿命，增加MTLMD的维修成本，影响减振效果。基于此，参数优化方法中包括了以主结构的响应为主，同时兼顾MTLMD的相对位移响应，实现多目标优化设计，以达到主结构减振效果最优化与MTLMD耐久性之间的平衡。

以结构第一阶振型振动为控制对象，振动向量最大处为每跨跨中位置，TLMD对称布置于每跨双工字钢主梁跨中，共8处。

TLMD的总活动质量与受控模态的模态质量之比μ对减振效果起着非常重要的作用，一般而言μ越大，减振效果越好，而且成本越高、且作用在主梁上的荷载越大。取μ为0.5%，1.0%，1.5%，2.0% 4种质量比进行参数优化，主梁和TLMD的动力放大系数随频率比的变化见图5。

图5 主梁及TLMD动力放大系数随频率比的变化

汇总图5结果见表1。

表1 不同质量比TLMD优化参数对比表

由表1可知，质量比越大，结构受控后阻尼比越大，振幅越小，但同时TLMD质量越大，且作用在跨中，对结构静力和动力特性影响均比较大。该种TLMD振动控制方式只能控制结构单一频率的振动，当结构出现多频率的振动时，需增加不同频率的TLMD，此时TLMD质量也随之增加。

2.2 TLMD减振时程分析

在ANSYS中模拟TLMD，新建与工字钢梁跨中节点相重合的节点；采用COMBIN14单元，连接对应新旧两结点，控制单元关键选项，使轴向弹簧-阻尼器为单轴拉压行为，仅有竖向自由度；在新建结点上加MASS21质量单元，控制TLMD质量M；COMBIN14单元实常数控制弹簧常数K和阻尼常数C[7]。

TLMD布置位置同2.1节。按照一阶竖弯模态质量，分别计算4种参数优化的质量比0.5%，1.0%，1.5%和2%的减振效果，对该桥进行简谐激励时程分析，得到不同质量比下第二跨跨中竖向位移响应时程见图6a)，第二跨TLMD质量块位移时程见图6b)，不同质量比TLMD时程分析对比见表2，可知时程计算结果与TLMD参数优化结果基本一致。

图6 不同质量比情况下桥梁及阻尼器响应时程

表2 不同质量比TLMD时程分析对比表

2.3 TLMD车桥耦合振动分析

在主梁跨中安装不同质量比的TLMD，并进行车桥耦合振动分析，计算结构的冲击系数，第二跨跨中有、无TLMD竖向位移响应对比见图7。

图7 第二跨跨中有、无TLMD竖向位移响应对比

不同质量比TLMD减振效果见表3。由表3可知，随着TLMD质量比的增加，主梁跨中冲击系数越小，可知质量比大于1.0%可控制冲击系数在规范设计值之内。

表3 不同质量比TLMD冲击系数统计

3 TLMD减振效果实桥测试

3.1 测点布置

实桥测试时安装TLMD共36个，单个TLMD质量块重50 kg，总重100 kg。TLMD质量比为0.3%。覆盖频率范围与该桥振动频率一致，为2.54～2.73 Hz。

在边跨跨中和中跨跨中均布置1个速度、加速度、位移和动应传感器，其现场布置示意见图8、图9。

图8 现场TLMD安装

图9 测点顺桥向布置图

3.2 TLMD安装前后实测数据对比

选用1辆500 kN重的车辆通过桥梁，其产生的对应跨中竖向静位移为4.4 mm。安装TLMD减振前、后车辆过桥响应见图10，从上向下3条时程曲线分别对应实时响应、动响应和静响应。

图10 安装TLMD前、后实桥响应对比

安装TLMD前、后冲击系数对比见表4。

表4 安装TLMD前、后中跨响应对比

由表4可知，安装TLMD后同一载重车辆过桥冲击系数可降低40%以上，但减振后冲击系数仍较高，需进一步增大质量比。

根据《桥梁振动的人体工学评价法》，对该桥分别进行速度、加速度、舒适度评估，结果见表5。

表5 安装TLMD前、后舒适性对比

由实测结果可知，安装TLMD后，该桥最大速度和最大加速度可降低20%左右，但舒适度指标仍较低，为提高该桥舒适度需进一步增大质量比。

4 结论

通过对新型钢板组合梁桥振动控制开展研究，可得以下结论。

1) 在该桥主梁跨中安装TLMD后进行一阶竖弯减振分析，结果表明TLMD质量比越大，结构受控后阻尼比越大，振幅越小，但同时TLMD质量越大，且作用在跨中，对结构静力和动力特性影响均比较大。当质量比μ=1.0%，可实现阻尼比超过5.0%，振幅降低60%。

2) 在主梁跨中安装4种不同质量比的TLMD，发现均可降低结构振幅、增加结构阻尼比和降低该桥冲击系数。考虑到增加TLMD质量比将增加主梁跨中附加质量，进而增加了桥梁荷载，故TLMD质量比取1.0%时较为合理。

3) 载重500 kN车辆通过钢板组合梁桥时，中跨跨中静扰度为U2=4.4 mm，安装TLMD(质量比为0.3%)后同一载重车辆过桥冲击系数可降低40%以上，最大速度和最大加速度可降低20%左右，但动力响应仍较高，需进一步提高TLMD质量比。