調(diào)諧質(zhì)量阻尼器(TMD)在鋼結(jié)構(gòu)人行天橋維修中的應(yīng)用研究

□□ 原國華(山西省交通科學(xué)研究院，山西 太原030006)

摘要：主要對某鋼結(jié)構(gòu)人行天橋的主要病害進(jìn)行了分析，提出了一種在箱梁內(nèi)部安裝調(diào)頻質(zhì)量阻尼器(TMD)的新技術(shù)。箱梁改造后進(jìn)行了加固效果分析，結(jié)果表明安裝調(diào)頻質(zhì)量阻尼器(TMD)后大大降低了鋼箱梁共振效應(yīng)，減少了行人的不安全感，保證了橋梁的安全運(yùn)營和耐久性能。

關(guān)鍵詞：鋼箱梁；病害；調(diào)頻質(zhì)量阻尼器

文章編號：1009-9441(2015)02-0021-03

中圖分類號：TU 352.1

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

作者簡介：原國華(1981-)，男，山西河津人，工程師，碩士，2005年7月畢業(yè)于太原理工大學(xué)土木工程專業(yè)，2008年6月碩士研究生畢業(yè)于蘭州理工大學(xué)結(jié)構(gòu)工程專業(yè)，從事橋梁隧道工程管理工作。

收稿日期：2015-03-10

引言

某鋼結(jié)構(gòu)人行天橋橋身呈半圓形，半徑38.0 m，橋?qū)?.8 m，橋長123.3 m，主梁為3跨連續(xù)鋼箱梁，跨徑組合為：37.6 m+44.1 m+37.6 m，橋臺處各加長2.0 m的懸臂。鋼箱梁高1.122 m，頂板寬3.8 m，底寬1.8 m，梁下采用橡膠支座，下部結(jié)構(gòu)橋臺為矩形截面Y形立柱，橋墩均為圓形獨(dú)柱，均采用鋼筋混凝土擴(kuò)大基礎(chǔ)。

該橋修建于1988年，設(shè)計(jì)人群荷載為4 kN/m2，全橋人行梯道4處，位于各墩臺處，由預(yù)制鋼筋混凝土踏板現(xiàn)場拼裝組成，天橋平面圖見圖1。2009年對該橋進(jìn)行了全面檢測和脈動試驗(yàn)，檢測結(jié)果及試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明需對該天橋進(jìn)行耐久性處理，降低橋梁共振效應(yīng)。

圖1　天橋平面圖

1橋梁的主要病害

檢測單位對該橋進(jìn)行了全面檢測和脈動試驗(yàn)，檢測結(jié)論為：該鋼結(jié)構(gòu)天橋鋼箱梁前三階自振頻率為1.623 Hz，2.337 Hz和2.984 Hz，前三階頻率均不能滿足CJJ 69—95《城市人行天橋與人行地道技術(shù)規(guī)范》的要求。

為了減少行人的不安全感，避免橋梁共振，鋼箱梁豎向自振頻率應(yīng)≮3 Hz，根據(jù)檢測數(shù)據(jù)判斷，該天橋鋼箱梁豎向剛度較低，行人行走過程中易激發(fā)共振。另外，行人在橋上行走過程中，感覺到橋有些晃動，存在較大的安全隱患。

2該橋共振的危害及解決措施

該橋采用鋼箱主梁和鋼筋混凝土橋面鋪裝，根據(jù)檢測報(bào)告，該橋主梁存在共振問題。按照設(shè)計(jì)的分析計(jì)算，在充分考慮通行的行人荷載時(shí)該橋的跨中振幅為3.9 mm，安裝調(diào)頻質(zhì)量阻尼器(TMD)[1]后的振幅可減小到2 mm。

在項(xiàng)目設(shè)計(jì)過程中，曾對該橋的實(shí)際振幅進(jìn)行過測量，因當(dāng)天天氣寒冷，每跨的通行人數(shù)平均為15人左右，測得的實(shí)際最大振幅為1.5 mm左右，依此推算該橋的實(shí)際剛度小于理論分析計(jì)算的剛度，即橋梁的共振引起的震動幅度>3.9 mm，這與橋梁的施工質(zhì)量有很大關(guān)系。

2.1　主梁振幅較大對橋梁造成的隱患

(1)行人通過時(shí)會產(chǎn)生不安全感，長時(shí)間在橋上站立時(shí)會產(chǎn)生眩暈感。

(2)主梁的實(shí)際變形大于理論計(jì)算值，無形中增大了主梁材料的應(yīng)力值，在長期的反復(fù)作用下，容易引起鋼材本身和焊接部位的疲勞破壞。

(3)橋面混凝土鋪裝層和混凝土護(hù)欄底座在存在較大變形的情況下容易出現(xiàn)裂縫和破損，影響了橋梁的耐久性能和排水性能。

2.2　解決方案的選擇

在橋梁頻率與人行頻率接近出現(xiàn)共振時(shí)，其解決辦法可以分為調(diào)整策動力頻率、結(jié)構(gòu)固有頻率和振幅等3種方法。

(1)調(diào)整策動力頻率即調(diào)整行人步伐，不可能實(shí)現(xiàn)。

(2)調(diào)增結(jié)構(gòu)固有頻率可采用的方法是增高主梁的截面高度或減小主梁的跨徑。通過增加橋墩的方法提高主梁剛度需占用橋下道路，無法實(shí)現(xiàn)。如果采用增大主梁截面高度或設(shè)置斜拉方式提高主梁剛度，無論是從對交通等造成的影響考慮，還是從造價(jià)考慮，均與新建1座橋梁相當(dāng)，其經(jīng)濟(jì)效益和社會效益低。

(3)調(diào)整振幅的方法，即本次設(shè)計(jì)采用的通過安裝調(diào)頻質(zhì)量阻尼器(TMD)來降低振幅、減小共振效應(yīng)的方法。

2.3　調(diào)頻質(zhì)量阻尼器(TMD)的工作機(jī)理

調(diào)頻質(zhì)量阻尼器(TMD)是近年來發(fā)展起來的結(jié)構(gòu)被動控制系統(tǒng)，利用結(jié)構(gòu)共振原理，通過調(diào)整TMD系統(tǒng)與主體結(jié)構(gòu)的質(zhì)量比、頻率比和TMD系統(tǒng)的阻尼比等參數(shù)，促使系統(tǒng)吸收更多的振動能量，從而達(dá)到減輕主體結(jié)構(gòu)的振動響應(yīng)的目的。

TMD系統(tǒng)由3部分組成，分別為彈簧、阻尼器和質(zhì)量塊，在天橋主梁的跨中附近安裝TMD，在外激勵作用下主梁產(chǎn)生振動時(shí)，帶動TMD系統(tǒng)一起振動，TMD系統(tǒng)相對運(yùn)動產(chǎn)生的慣性力反作用于結(jié)構(gòu)上，調(diào)諧這個慣性力，使其對結(jié)構(gòu)的振動產(chǎn)生限制作用，從而達(dá)到減小主梁振動響應(yīng)的目的。

2.4　調(diào)頻質(zhì)量阻尼器(TMD)的結(jié)構(gòu)組成

調(diào)頻質(zhì)量阻尼器(TMD)的結(jié)構(gòu)組成見圖2。

圖2　調(diào)頻質(zhì)量阻尼器(TMD)實(shí)物圖

本項(xiàng)目采用的阻尼器為北京奇太振控科技有限公司組裝的產(chǎn)品，該產(chǎn)品除粘滯阻尼器部分由美國Taylor公司生產(chǎn)外，其余為國內(nèi)生產(chǎn)。粘滯阻尼器的設(shè)計(jì)使用壽命為30年，為該套阻尼器的關(guān)鍵構(gòu)件；其余部分的使用壽命與橋梁使用年限相同。

2.5箱梁內(nèi)調(diào)頻質(zhì)量阻尼器(TMD)的布置[2]

鋼箱梁結(jié)構(gòu)豎向一階自振頻率為1.623 Hz，與行人激振區(qū)間相近或接近。為了降低橋梁發(fā)生共振或準(zhǔn)共振時(shí)的動力響應(yīng)，避免振動位移超限，在全橋各跨跨中附近各安裝4組TMD系統(tǒng)，合計(jì)共12組TMD系統(tǒng)，TMD的布置見圖3。

圖3　調(diào)頻質(zhì)量阻尼器(TMD)布置圖

另外，在設(shè)計(jì)過程中，對本橋安裝的阻尼器除了進(jìn)行振動分析外，還進(jìn)行了承載能力計(jì)算，在有效減小共振效應(yīng)的情況下，也滿足承載能力的要求。

在調(diào)頻質(zhì)量阻尼器(TMD)安裝完成后，委托第三方檢測單位對該橋的動力性能(頻率、振幅和動力加速度)進(jìn)行檢測，以確保阻尼器的安裝效果。

3調(diào)頻質(zhì)量阻尼器(TMD)的加固效果

3.1　測試內(nèi)容

橋梁安裝調(diào)頻質(zhì)量阻尼器(TMD)后檢驗(yàn)其舒適性狀況，需對鋼結(jié)構(gòu)人行天橋在正常使用狀態(tài)下的豎向加速度進(jìn)行測試。

3.2　測試方法

依據(jù)人行天橋的結(jié)構(gòu)形式和受力特點(diǎn)，確定每跨跨中位置為振動的最大點(diǎn)。在每跨跨中位置布置加速度傳感器，采集行人從該跨起點(diǎn)行走到該跨終點(diǎn)的時(shí)程數(shù)據(jù)，然后判斷該橋各跨的振動情況。

3.3　測試儀器

(1)分析軟件：“Vib'SYS振動信號采集、處理和分析”軟件。

(2)采集儀：型號WS-5921/U60216-C8，其技術(shù)參數(shù)為：分辨率：16位；采樣頻率：200 kHz；采集通道：16路；測量量程：±10 V；增益：1、2、4、8、16。

(3)傳感器：型號KD12000L，其性能指標(biāo)見表1。

3.4　測試程序

在鋼結(jié)構(gòu)天橋跨中布置加速度傳感器，然后分3次進(jìn)行測試。組織人員從該跨的起點(diǎn)按正常行走的速度步行到該跨終點(diǎn)，同時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。

表1　傳感器的性能指標(biāo)

在測試過程中，行人必須按照統(tǒng)一的步調(diào)行進(jìn)，測試結(jié)束后對橋梁在無行人時(shí)各跨的振動情況也進(jìn)行了檢測，然后進(jìn)行對比分析。

3.5　測試結(jié)論

測試結(jié)束后，對測試報(bào)告進(jìn)行分析，得出振動響應(yīng)數(shù)值在可接受的范圍內(nèi)。由于缺少橋梁加固前的加速度對比數(shù)據(jù)，因而無法定量地分析減震效果。從與最初的模型分析結(jié)果的比較來看，在人行荷載作用下，鋼箱梁天橋各跨的加速度均在0.65 m/s2左右，從數(shù)據(jù)分析判斷出調(diào)頻質(zhì)量阻尼器(TMD)的減震效果明顯，減震幅度在50%左右。

4結(jié)語

對于鋼結(jié)構(gòu)天橋維修中主梁存在的振動問題，可以通過安裝調(diào)頻質(zhì)量阻尼器(TMD)的方法得到有效解決，以達(dá)到減少鋼箱梁的動力響應(yīng)，消除通行人群的不安全感，并降低橋上混凝土構(gòu)件破損的概率，從而增強(qiáng)橋梁的耐久性能。

參考文獻(xiàn)：

[1] 張耀庭，劉再華.新型調(diào)諧質(zhì)量阻尼器(TMD)的實(shí)用性與可行性研究[J].巖土工程學(xué)報(bào)，1998，20(6)：57-61.

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

(編輯盛晉生)