调谐质量阻尼器对斜拉桥舒适度影响分析

闫兴伟，刘 杨

（1.上海路博减振科技股份有限公司，上海201418；2.上海应用技术大学，上海201418）

景观桥以桥梁结构作为载体，结合区域的自然和人文历史环境，实现景观功能；在保证可以欣赏到美景的同时也要照顾到游客的观景感受。调谐质量阻尼器（Tuned Mass Damper，以下简称“TMD”）[1]作为一种有效被动控制装置，是由质量块、弹簧与阻尼减振器组成的独立振动系统，一般支承或悬挂在结构上[2～4]；具有减振和经济性好、操作简单、易维护等特点，可以减小结构在外部环境激励下的振动响应。

某斜拉景观桥在游客激励下很容易产生共振，游客行走过程中会有不舒适感，从而影响观景心情[5]。本文主要针对游客观景体验，以人体舒适度为切入点，利用midasGen软件分析安装TMD前后舒适度指标。

1 工程概况

某斜拉景观桥观光钢平台总长116.339 m，塔柱高28.250 m。钢平台观光区最大悬臂长度60 919 m，由12根拉索与塔柱连接。单桥宽2 m，二侧单桥相交于端部。结构安全等级为二级，设计使用年限50 a，抗震设防分类为8度0.20g，场地为I1类地震分组第二组。

2 舒适度要求

我国行业规范规定[6]，连廊和室内天桥的第一阶竖向自振频率不宜＜3 Hz，第一阶横向自振频率不宜＜1.2 Hz；德国规范[7]的控制指标为人行桥竖向加速度不超过0.5 m/s2；美国标准[8]规定商场、室外人行桥竖向振动峰值分别为0.15、0.5 m/s2；张全伍等[9]参考德国规范和美国标准，将项目的竖向峰值加速度选取为不超过0.5 m/s2。

大量的研究和试验证明，人的舒适性感受可以采用楼盖的振动加速度响应来进行评价[10～13]。因此本工程竖向峰值加速度限值取0.5 m/s2，横桥向峰值加速度限值取0.1 m/s2；在风荷载作用下，水平向上加速度限值取0.15 m/s2[14]。

3 模型的建立

3.1 有限元建模及模态分析

采用目前国际通用的midasGen有限元计算软件对整体结构建模分析。振型数取100，使用特征值法进行整体模型的模态分析，第2阶振型和第4阶振型对结构舒适度影响最大。见表1和见图1-图2。

表1 未减振结构前20阶振型周期和质量参与系数

图1 第2阶振型

图2 第4阶振型

3.2 TMD布置

为达到最优减振效果，在振动最大的位置布置12个TMD，共8 t；竖向1.51、1.7、0.77 Hz，横桥向0.86、0.94、1.03 Hz的各2个。见图3和表2。

图3 TMD布置

表2 TMD参数

3.3 舒适度及减震效果分析

研究发现，外界激励频率越接近结构自振频率，结构振动响应越显著。结构总面积为2 443 m2，根据人行荷载参数，考虑人群密度1.5人/m2，人行荷载以点荷载的形式添加在结构各个位置，总共施加24个点荷载。

选取1.7、2.1 Hz及共振频率1.51 Hz作为竖向加载工况频率；0.5、1.2 Hz以及共振频率0.87 Hz作为横桥向加载工况频率，不考虑步行荷载的折减系数，具体工况及其结果见表3。

表3 人行荷载时程分析工况

统计时程分析结果中振动响应的最大值，对比增加TMD装置前后的加速度情况。原结构在竖向人行荷载激励下，当激励频率接近共振频率时，加速度幅值超过规范限值0.5 m/s2，不满足规范要求；增加TMD装置进行减振后，结构在人行荷载激励下，加速度幅值均被控制在0.5 m/s2以内，共振激励下的结构加速度减振率为68.5%，减振效果明显，满足了规范对舒适度的要求。见表4。

表4 竖向人行荷载下原结构与TMD系统加速度对比

统计时程分析结果中横桥向振动响应的最大值，对比增加TMD装置前后的加速度情况。原结构在横桥向人行荷载激励下，当激励频率接近共振频率0.87 Hz时，加速度幅值超过规范限值0.1 m/s2，不满足规范要求；增加TMD装置进行减振后，结构在人行荷载激励下，加速度幅值均被控制在0.1 m/s2以内，共振激励下的结构加速度减振率为84.3%，减振效果明显，满足规范对舒适度的要求。见表5。

表5 横桥向人行荷载下原结构与TMD系统加速度对比

统计时程分析结果中风荷载作用下振动响应的最大值，对比增加TMD装置前后的加速度情况。原结构在风荷载作用下，加速度幅值超过规范限值0.15 m/s2，不满足规范要求；增加TMD装置进行减振后，加速度幅值被控制在0.15 m/s2以内，满足规范对舒适度的要求。见表6。

表6 风荷载作用下原结构与TMD系统加速度对比

4 结论

本文利用midas Gen对某景观桥进行建模，首先分析未减振结构前20阶振型周期和质量参与系数得到第2阶振型和第4阶振型对结构舒横桥向适度影响最大。针对影响比较大的阵型，进行TMD安装布置，对安装前后的数据进行分析，在各种频率的步行荷载激励下，安装TMD之后的人行天桥的竖向振动加速度都能够满足舒适度要求，可见TMD起到了较好地减振效果。