大跨简支钢桁梁人行桥人致振动测试与减振控制研究.pdf
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1、第5 4卷 第6期2 0 2 3年1 1月 太原理工大学学报J OUR NA L O F T A I YUAN UN I V E R S I T Y O F T E CHNO L OG Y V o l.5 4 N o.6 N o v.2 0 2 3 引文格式:焦晋峰,王金龙,闫晓彦,等.大跨简支钢桁梁人行桥人致振动测试与减振控制研究J.太原理工大学学报,2 0 2 3,5 4(6):1 0 8 3-1 0 9 2.J I AO J i n f e n g,WANG J i n l o n g,YAN X i a o y a n,e t a l.R e s e a r c h o n p e d
2、 e s t r i a n-i n d u c e d v i b r a t i o n t e s t a n d d a m p i n g c o n t r o l o f l o n g-s p a n s i m p l e-s u p p o r t e d s t e e l t r u s s g i r d e r p e d e s t r i a n b r i d g eJ.J o u r n a l o f T a i y u a n U n i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y,2 0 2 3,5 4(6):1 0 8
3、 3-1 0 9 2.收稿日期:2 0 2 2-1 1-2 2;修回日期:2 0 2 3-0 3-0 1 基金项目:国家自然科学基金资助项目(5 2 2 7 8 1 9 8);山西省自然科技研究基金资助项目(2 0 2 2 0 3 0 2 1 2 1 1 1 8 4);山西省基础研究计划资助项目(2 0 2 1 0 3 0 2 1 2 2 3 1 0 5)第一作者:焦晋峰(1 9 7 9-),博士,副教授,主要从事钢结构与空间结构的研究,(E-m a i l)j i a o j i n f e n g t y u t.e d u.c n 通信作者:陈鹏程(1 9 8 9-),博士,讲师,主要从
4、事钢结构与空间结构的研究,(E-m a i l)p e n g c h e n g.c h e nq q.c o m大跨简支钢桁梁人行桥人致振动测试与减振控制研究焦晋峰1,2,王金龙2,闫晓彦1,路国运2,陈鹏程2(1.吕梁学院 建筑系,山西 吕梁 0 3 3 0 0 1;2.太原理工大学 土木工程学院,太原 0 3 0 0 2 4)摘 要:【目的】为研究大跨简支钢桁梁人行桥在人致激励下的动力响应及调谐质量阻尼器(TMD)的减振效果。【方法】以山西省1 2 3 m跨简支钢桁梁人行桥 玄月桥为研究对象,针对该人行桥进行了现场人致振动测试和数值模拟,研究了行人在不同激励频率、行走人数、激励方式下对
5、该结构振动的影响规律;探讨了单频调谐质量阻尼器(S TMD)和多频调谐质量阻尼器(MT-MD)在中心频率及调频偏差下的减振效果,提出了考虑调频偏差下结构减振优化设计建议。【结果】结果表明:低阶模态对结构振动起控制作用,行人激励频率接近结构一阶竖向基频时会产生共振,其最大加速度峰值为0.1 3 m/s2;行人跑动、跳跃激励对该人行桥振动舒适度影响较大,产生的加速度峰值分别为行走激励的1 9 4%、1 6 6%;低质量比(1.0)下S TMD减振频带较窄,提高S T-MD总质量比可提高减振效果并改善其减振频带窄的问题,该人行桥S TMD总质量比从0.6%提升至3.0%后,可将调频偏差允许范围从0扩
6、大至1 5%;同一总质量比及调频偏差下,MT-MD的减振效果和鲁棒性优于S TMD,且随子单元数量的增大而提高。关键词:大跨径人行桥;人致振动测试;减振控制;调谐质量阻尼器中图分类号:U 4 4 8.1 1 文献标识码:AD O I:1 0.1 6 3 5 5/j.t y u t.1 0 0 7-9 4 3 2.2 0 2 3.0 6.0 1 6 文章编号:1 0 0 7-9 4 3 2(2 0 2 3)0 6-1 0 8 3-1 0R e s e a r c h o n P e d e s t r i a n-I n d u c e d V i b r a t i o n T e s t a
7、 n d D a m p i n g C o n t r o l o f L o n g-S p a n S i m p l e-S u p p o r t e d S t e e l T r u s s G i r d e r P e d e s t r i a n B r i d g eJ I A O J i n f e n g1,2,WA N G J i n l o n g2,Y A N X i a o y a n1,L U G u o y u n2,C H E N P e n g c h e n g2(1.D e p a r t m e n t o f A r c h i t e c
8、t u r e,L y u l i a n g U n i v e r s i t y,L y u l i a n g 0 3 3 0 0 1,C h i n a;2.C o l l e g e o f C i v i l E n g i n e e r i n g,T a i y u a n U n i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y,T a i y u a n 0 3 0 0 2 4,C h i n a)A b s t r a c t:【P u r p o s e s】T h i s w o r k h a s b e e n d o n e i
9、 n o r d e r t o s t u d y t h e d y n a m i c r e s p o n s e o f l o n g-s p a n s i m p l y-s u p p o r t e d s t e e l t r u s s p e d e s t r i a n b r i d g e u n d e r h u m a n-i n d u c e d e x c i t a t i o n a n d t h e d a m p i n g e f f e c t o f t u n e d m a s s d a m p e r(TMD).【M e
10、 t h o d s】T h e r e s e a r c h o b j e c t i s a 1 2 3 m s p a n s i m p l y s u p p o r t e d s t e e l t r u s s g i r d e r p e d e s t r i a n b r i d g e X u a n y u e B r i d g e i n S h a n x i P r o v i n c e,a n d o n s i t e h u m a n-i n d u c e d v i b r a t i o n t e s t s a n d n u m
11、 e r i c a l s i m u l a t i o n h a v e b e e n c a r r i e d o u t.T h e i n f l u-e n c e s o f d i f f e r e n t e x c i t a t i o n f r e q u e n c i e s,n u m b e r o f p e d e s t r i a n s,a n d e x c i t a t i o n m o d e o n t h e v i-b r a t i o n o f t h e s t r u c t u r e a r e s t u d
12、 i e d.T h e d a m p i n g e f f e c t s o f s i n g l e f r e q u e n c y t u n e d m a s s d a m p e r(S TMD)a n d m u l t i p l e f r e q u e n c y t u n e d m a s s d a m p e r(MTMD)u n d e r t h e c e n t r a l f r e q u e n c y a n d f r e q u e n c y d e v i a t i o n a r e d i s c u s s e d.
13、【F i n d i n g s】A n d t h e o p t i m i z e d d e s i g n p r o p o s a l o f s t r u c t u r a l d a m p i n g c o n s i d e r i n g f r e q u e n c y d e v i a t i o n i s p r o p o s e d.T h e r e s u l t s s h o w t h a t t h e l o w o r d e r m o d e p l a y s a r o l e i n c o n t r o l l i n
14、 g t h e s t r u c t u r a l v i b r a t i o n.Wh e n t h e p e d e s t r i a n e x c i t a t i o n f r e q u e n c y i s c l o s e t o t h e f i r s t o r d e r v e r t i c a l f u n d a m e n t a l f r e q u e n c y o f t h e s t r u c t u r e,r e s o n a n c e o c c u r s,a n d t h e p e a k a c
15、c e l e r a t i o n i s 0.1 3 m/s2;T h e r u n n i n g a n d j u m p i n g e x c i t a t i o n s o f p e d e s t r i a n s h a v e a g r e a t i n f l u e n c e o n t h e v i b r a t i o n c o m f o r t o f t h e f o o t b r i d g e,a n d t h e p e a k a c c e l e r a t i o n s a r e 1 9 4%a n d 1 6
16、 6%o f t h e w a l k i n g e x c i t a t i o n s,r e s p e c t i v e l y;T h e S TMD d a m p i n g f r e q u e n c y b a n d i s n a r r o w e r a t l o w t o t a l m a s s r a t i o(1.0),i m p r o v i n g t h e t o t a l m a s s r a t i o o f S TMD c a n i m p r o v e t h e d a m p i n g e f f e c
17、t a n d s i m u l t a n e o u s l y i m p r o v e t h e p r o b l e m o f i t s b a n d n a r r o w i n g,a f t e r t h e t o t a l m a s s r a t i o o f p e d e s t r i a n b r i d g e S TMD i s i n c r e a s e d f r o m 0.6%t o 3.0%,t h e a l l o w e d r a n g e o f f r e-q u e n c y m o d u l a t
18、 i o n d e v i a t i o n c a n b e e x p a n d e d f r o m 0 t o 1 5%;A t t h e s a m e m a s s r a t i o a n d f r e q u e n c y m o d u l a t i o n d e v i a t i o n,t h e d a m p i n g e f f e c t a n d r o b u s t n e s s o f MTMD a r e b e t t e r t h a n t h o s e o f S TMD,a n d i n c r e a s
19、 e w i t h t h e n u m b e r o f s u b u n i t s.K e y w o r d s:l o n g-s p a n f o o t b r i d g e;h u m a n-i n d u c e d v i b r a t i o n;v i b r a t i o n c o n t r o l;t u n e d m a s s d a m p e r 为避免由于城市人口增加和交通拥堵导致的车流和人流在平面相交冲突的问题,人行桥应运而生。近年来,随着建筑钢材的广泛应用和人行桥更轻、更长、更柔的发展趋势,钢结构人行桥因其轻质高强的特点被广泛应
20、用。当前钢结构人行桥跨度大多在5 01 0 0 m1,具有自重轻、跨度大及阻尼低等特点,然而其结构固有频率与行人步频相近,易引发共振,行人在运动过程中会感受到较大振动,例如千禧桥2、日本T桥3等人行桥都在人致作用下发生过振动问题。因此,人行桥大跨径轻柔化的发展趋势和行人对舒适度的更高要求,使得人行桥人致振动问题成为国内外研究的热点问题之一。目前针对人行桥振动舒适度主要从结构振动响应及减振控制两方面开展研究。陈隽4、郭瑞等5、S HAHA B P OO R6采用试验研究和理论分析研究了单人及人群荷载中行人步频、相位差等参数随人群密度的变化规律,并提出了考虑行人密度下的人群荷载模型。HE e t
21、a l7、V E NUT I e t a l8、操礼林等9采用试验研究和理论分析表明考虑人-结构相互作用更接近行人激励的真实振动水平,并分析了行人不同动力学参数对结构振动的影响。在减振控制方面,自D E N1 0提出TMD最优减振设计参数后,TMD被广泛应用在人致振动控制领域1 1-1 2。针对 钢 结 构 简 支 人 行 桥,王 洪 涛 等1 3、郭 宏 超等1 4、WANG e t a l1 5研究了S TMD与MTMD对钢结构箱型截面简支人行桥的减振效果,分析了其不同参数对结构减振效果的影响,但研究对象主要是跨度在5 01 0 0 m范围内的人行桥。综上所述,针对钢结构简支人行桥的人致振
22、动及减振控制研究集中在跨度较小的钢箱梁式人行桥。当跨度超越1 0 0 m时,结构的振动问题会更加突出,但目前针对类似大跨径人行桥在人致激励下振动试验研究较少;其次,由于工程结构模态参数的识别误差、结构服役期间刚度退化导致的基频降低及结构有限元模型计算等误差,往往导致S TMD在设计时产生调频偏差1 6,以往的研究集中在S TMD与MTMD的减振效果,而针对减振装置的调频偏差对其减振效果的影响及设计优化有待深入。针对上述存在问题,本文以山西省一座1 2 3 m跨简支钢桁梁人行桥 玄月桥为研究对象,开展人致激励下振动试验,分析了行走人数、激励方式及行人步频对大跨径简支人行桥振动的影响;并讨论了中心
23、频率及调频偏差下S TMD的减振效果,提出了调频偏差下S TMD的优化设计建议;对比分析了S TMD与MTMD减振系统在中心频率及调频偏差下的减振效果及鲁棒性,为类似大跨径简支钢桁梁人行桥振动舒适度评价及减振措施提供参考依据。1 工程概况本文以位于山西省临县的玄月桥为工程背景,该人行桥结构形式为变截面简支钢桁架结构,其跨径为1 2 3 m,两侧各悬挑9 m,桥梁含两侧悬臂及楼梯总长1 5 5 m,桥面宽度从桥墩处8.0 m渐变到跨中1 0.1 m,矢高1.5 m.钢材材质为Q 3 5 5 D,桥墩为4801太 原 理 工 大 学 学 报 第5 4卷 Y型桥墩,采用C 4 0混凝土,为避免结构在
24、人致激励下动力响应过大,在跨中安装了6个S TMD进行减振控制。结构设计使用年限为5 0 a,设计安全等级为二级。图1为该人行桥平立面布置及实景图。玄月桥平面布置图(单位:mm)9?000Pm01Pm029?0008?00056?3755?1255?12556?375123?000STMD 布置位置玄月桥立面布置图(单位:mm)9?000Pm01Pm029?0009?200123?000(a)平面/立面布置图(b)玄月桥实景图图1 玄月桥平立面布置及实景图F i g.1 L a y o u t a n d r e a l p l a n o f X u a n y u e B r i d g
25、e p l a n e,e l e v a t i o n l a y o u t,a n d r e a l p h o t o g r a p h o f X u a n y u e B r i d g e2 人行桥动力特性测试2.1 动力特性测试方案及测点布置结构动力特性是结构振动的固有属性,通过对该人行桥进行动力特性测试,可以获悉该人行桥自振模态分布及阻尼比,并为后续人致激励下人行桥振动试验提供数据基础。本文基于环境脉动法分别测试人行桥的竖向、横向及扭转模态,单次模态测试取样时间为3 0 m i n,截断频率取5 0 H z.现场动力特性测试仪器设备有1 8个竖向拾振器(8 9 1型)
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