王洪濤， 施衛(wèi)星， 韓建平， 單伽锃

(1.同濟(jì)大學(xué)結(jié)構(gòu)工程與防災(zāi)研究所 上海，200092)(2.蘭州理工大學(xué)甘肅省土木工程防災(zāi)減災(zāi)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 蘭州，730050)

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鋼連橋人致振動(dòng)及TMD減振效應(yīng)實(shí)測(cè)與分析*

王洪濤1， 施衛(wèi)星1， 韓建平2， 單伽锃1

(1.同濟(jì)大學(xué)結(jié)構(gòu)工程與防災(zāi)研究所 上海，200092)(2.蘭州理工大學(xué)甘肅省土木工程防災(zāi)減災(zāi)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 蘭州，730050)

以某室外大跨輕柔鋼結(jié)構(gòu)人行橋?yàn)榘咐?，介紹了該結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)概況及調(diào)諧質(zhì)量阻尼器(tuned mass damper，簡(jiǎn)稱TMD)減振設(shè)計(jì)，分別在結(jié)構(gòu)施工完成后以及TMD裝置安裝后對(duì)其進(jìn)行了實(shí)地動(dòng)力測(cè)試，測(cè)得了該結(jié)構(gòu)減振前后的模態(tài)特性以及在多種人行荷載工況下的振動(dòng)響應(yīng)，采用加速度峰值和均方根值為評(píng)價(jià)指標(biāo)，分析了鋼連橋人致振動(dòng)情況及特性。結(jié)果表明：一端設(shè)計(jì)為滑動(dòng)連接的鋼連橋人致振動(dòng)主要由第1階豎向振型控制，扭動(dòng)及水平振動(dòng)響應(yīng)相對(duì)較小；安裝經(jīng)優(yōu)化設(shè)計(jì)的TMD裝置后，整體連橋的頻率特性沒(méi)有明顯變化，分布式TMD對(duì)多種頻率激勵(lì)工況均有良好的調(diào)諧減振作用，減振率達(dá)到35%～70%；共振激勵(lì)下測(cè)得的原結(jié)構(gòu)阻尼比較小，安裝TMD后結(jié)構(gòu)的阻尼比提高4倍，并且呈現(xiàn)出在自由振動(dòng)衰減的前期較大，隨著振動(dòng)幅度變?nèi)踝枘岜冉档?；測(cè)試中發(fā)現(xiàn)TMD裝置的減振效率對(duì)其阻尼比的變化不敏感。

人行橋； 人致振動(dòng)； 調(diào)諧質(zhì)量阻尼器； 均方根響應(yīng)； 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試

引 言

現(xiàn)代結(jié)構(gòu)中一些跨度大、阻尼低的人行橋、樓板、廊橋以及樓梯等結(jié)構(gòu)易在人活動(dòng)荷載下發(fā)生較大振動(dòng)，雖不至于使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生嚴(yán)重安全問(wèn)題，但可能引起結(jié)構(gòu)上使用者的不安全感和振動(dòng)舒適性問(wèn)題。現(xiàn)階段對(duì)于上述結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，最基本的原則是控制結(jié)構(gòu)的基本振動(dòng)頻率，比如很多規(guī)范都控制其不小于3 Hz甚至5 Hz[1]。國(guó)內(nèi)外現(xiàn)行的一些規(guī)范和技術(shù)指南也進(jìn)一步采用加速度響應(yīng)峰值、均方根值等指標(biāo)進(jìn)行振動(dòng)舒適性的評(píng)價(jià)和控制[2-4]。在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及使用階段，如果預(yù)測(cè)到結(jié)構(gòu)的振動(dòng)舒適度不滿足，單純加大設(shè)計(jì)截面以及加固原結(jié)構(gòu)往往存在某些困難，比如建筑造型設(shè)計(jì)的要求、結(jié)構(gòu)形式及造價(jià)等方面的限制，基于這一點(diǎn)，采用減振控制技術(shù)是一條可行且有效的途徑。

TMD是一種實(shí)用、可靠的被動(dòng)減振裝置，常被應(yīng)用于大跨輕質(zhì)樓蓋、人行橋以及高聳結(jié)構(gòu)的減振中。TMD減振裝置主要由調(diào)諧質(zhì)量塊、彈簧和阻尼裝置三個(gè)部分組成。在對(duì)結(jié)構(gòu)頻率能準(zhǔn)確調(diào)諧時(shí)，單TMD減振就能起到良好的減振效果，但為了提高調(diào)諧減振系統(tǒng)的魯棒性，多質(zhì)量調(diào)諧阻尼器(multiple tuned mass dampers，簡(jiǎn)稱MTMD)得到越來(lái)越多的研究和應(yīng)用[5-7]。中心TMD對(duì)結(jié)構(gòu)主控頻率調(diào)諧，考慮一定的頻帶寬度在主控頻率上下一定范圍內(nèi)分布若干TMD，能有效改善單TMD 控制效果不穩(wěn)定、適用激勵(lì)頻帶過(guò)窄的缺點(diǎn)。以往的TMD減振控制研究中，主要是以數(shù)值模擬以及參數(shù)優(yōu)化分析為主，對(duì)典型實(shí)際工程減振效果的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試分析較少，而這種分析能更加客觀、真實(shí)地反映TMD減振裝置的有效性，更具有工程指導(dǎo)價(jià)值。文獻(xiàn)[8]對(duì)上海世博文化中心懸挑鋼結(jié)構(gòu)屋蓋TMD減振控制做了研究，主要進(jìn)行了有無(wú)TMD數(shù)值分析對(duì)比和實(shí)地測(cè)試的驗(yàn)證，得出了對(duì)同類工程有參考性的結(jié)論，但結(jié)構(gòu)減振后的動(dòng)力特性，比如阻尼特性以及不同人行荷載工況下的實(shí)際減振效率等還有待更具體的研究。

筆者以某大跨輕柔鋼結(jié)構(gòu)人行橋?yàn)榘咐?，在主體結(jié)構(gòu)施工完成后以及TMD系統(tǒng)安裝后分別進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)力測(cè)試，著重對(duì)比分析了連橋結(jié)構(gòu)減振前后動(dòng)力特性的變化、多種人行頻率激勵(lì)下的減振特性及效率?，F(xiàn)場(chǎng)測(cè)試和分析的結(jié)果對(duì)人行橋人致振動(dòng)及其控制措施的應(yīng)用具有參考價(jià)值。

1 實(shí)測(cè)鋼連橋的概況

筆者所測(cè)試分析的連橋?yàn)樯轿魇∧呈形幕C合展覽館中的一室外鋼結(jié)構(gòu)人行橋，橋體總長(zhǎng)為62.9 m，橋面標(biāo)高與室外地面平齊，橫跨在該綜合體結(jié)構(gòu)負(fù)一層疏散樓梯的正上方，主要用于館內(nèi)外流動(dòng)人員的疏散。其結(jié)構(gòu)形式為單跨桁架，其上弦、下弦以及豎桿、斜桿均采用箱型截面鋼構(gòu)件，鋼桁架高為2.2 m，寬為1.25 m。橋面板為20 mm厚鋼板，上面澆筑一層100 mm鋼筋混凝土板，橋面寬度為2.4 m。

由于鋼連橋地處地震高烈度區(qū)，如與主體結(jié)構(gòu)之間采用強(qiáng)連接，由于鋼橋整體剛度較小，無(wú)法協(xié)調(diào)主體結(jié)構(gòu)共同工作，在地震等作用下往往造成連橋結(jié)構(gòu)的局部嚴(yán)重破壞。因此實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)連橋與主體結(jié)構(gòu)之間采用了弱連接，在溫度和地震等作用下，可以減小連橋和兩端主體結(jié)構(gòu)之間的相互影響，連橋的受力大大減輕。該人行橋的邊界約束條件設(shè)計(jì)為一端剛接，一端采用抗震球形滑動(dòng)支座。

該連橋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)采用輕質(zhì)的型鋼材，跨度大，又受到建筑設(shè)計(jì)的限制，造成其自振頻率較低。設(shè)計(jì)階段有限元分析該連橋第1階豎向振動(dòng)頻率為1.95 Hz，振動(dòng)模態(tài)振型為標(biāo)準(zhǔn)半正弦曲線，第1階橫向振動(dòng)頻率為1.76 Hz。結(jié)構(gòu)主要頻率在人體活動(dòng)的主要頻率范圍內(nèi)，服役期間可能引發(fā)人活動(dòng)激勵(lì)下的較大響應(yīng)甚至引發(fā)共振響應(yīng)，繼而造成振動(dòng)的舒適度問(wèn)題。在滿足安全的情況下，設(shè)計(jì)中采用質(zhì)量調(diào)頻阻尼器技術(shù)來(lái)改善結(jié)構(gòu)的振動(dòng)舒適度問(wèn)題。

該連橋結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖及測(cè)試測(cè)點(diǎn)布置如圖1所示。

圖1 鋼連橋結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖及測(cè)點(diǎn)布置Fig.1 The diagram of connecting bridge and measuring-point arrangement

2 環(huán)境振動(dòng)測(cè)試及人行激勵(lì)下響應(yīng)測(cè)試

2.1 測(cè)試方法及測(cè)點(diǎn)布置

為了分析該鋼連橋的動(dòng)力特性以及在人行荷載下的振動(dòng)響應(yīng)，對(duì)其進(jìn)行了環(huán)境激勵(lì)下的振動(dòng)測(cè)試和人行荷載下的振動(dòng)測(cè)試。測(cè)試采用同濟(jì)大學(xué)SVSA數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)，靈敏度為50 V/g的Lance LC0132T和靈敏度為16.89 V/g的KD12000L的壓電式加速度傳感器。分別在連橋的橋面混凝土板結(jié)構(gòu)層以及桁架下弦位置設(shè)置測(cè)試點(diǎn)，進(jìn)行一定時(shí)間的連續(xù)觀測(cè)，并記錄振動(dòng)時(shí)程數(shù)據(jù)。測(cè)點(diǎn)位置如圖1所示。黑色方框?yàn)樨Q向測(cè)點(diǎn)，黑色三角框?yàn)樗较驕y(cè)點(diǎn)，原結(jié)構(gòu)測(cè)試時(shí)布置TP1～TP6，TP13，TP14共8個(gè)測(cè)點(diǎn)，TMD安裝后的測(cè)試布置TP4，TP7～TP15共10個(gè)測(cè)點(diǎn)，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試照片如圖2所示。

環(huán)境振動(dòng)測(cè)試期間為了盡量減小噪聲的干擾，叫停周?chē)磺惺┕?、人體走動(dòng)，采樣頻率均為100 Hz。

圖2 鋼連橋結(jié)構(gòu)及現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試照片F(xiàn)ig.2 Photos of the structure and in-situ test

2.2 環(huán)境振動(dòng)測(cè)試動(dòng)力特性識(shí)別

跨中豎向測(cè)點(diǎn)TP4以及橫向測(cè)點(diǎn)TP14的振動(dòng)加速度響應(yīng)及其功率譜如圖3所示。利用峰值拾取法和半功率點(diǎn)法，識(shí)別結(jié)構(gòu)的振動(dòng)頻率和阻尼比。

圖3 環(huán)境振動(dòng)測(cè)試測(cè)點(diǎn)加速度時(shí)程及功率譜Fig.3 Accelerations and PSD of ambient vibration test

由圖3(a)知，該連橋結(jié)構(gòu)實(shí)際的豎向1階振動(dòng)模態(tài)頻率為1.86 Hz，模態(tài)阻尼比為0.58%，其他豎向模態(tài)的振動(dòng)相對(duì)于第1階模態(tài)振動(dòng)能量較低，可以判定該連橋豎向振動(dòng)主要由1階模態(tài)控制。由圖3(b)知，橫向1階振動(dòng)頻率為1.66 Hz，其振動(dòng)響應(yīng)相對(duì)豎向振動(dòng)小很多。

經(jīng)典的結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)中用不同測(cè)點(diǎn)在固有頻率處響應(yīng)自功率譜的幅值比或者傳遞函數(shù)的幅值比可以獲得結(jié)構(gòu)的固有振型，另外也采用了更加精確的有理分式多項(xiàng)式方法來(lái)識(shí)別該結(jié)構(gòu)的振型特性。由測(cè)點(diǎn)TP1～TP6的響應(yīng)識(shí)別出的第1階豎向模態(tài)振型呈現(xiàn)出近似半正弦形狀，與結(jié)構(gòu)原設(shè)計(jì)分析模態(tài)相同。

2.3 人行激勵(lì)測(cè)試響應(yīng)分析

由于該連橋結(jié)構(gòu)主要設(shè)計(jì)功能為展覽館人行通道，服役期間可能承受多種情況的人活動(dòng)荷載。對(duì)結(jié)構(gòu)主體施工完成后進(jìn)行人行激勵(lì)下的動(dòng)力測(cè)試，分析其人致振動(dòng)特性，評(píng)估其振動(dòng)響應(yīng)。

分別進(jìn)行單人在連橋跨中跳躍激勵(lì)測(cè)試和人行走、跑動(dòng)激勵(lì)測(cè)試工況。

自由振動(dòng)測(cè)試是一種常用的動(dòng)力特性識(shí)別手段，特別是模態(tài)阻尼比的識(shí)別。由圖3環(huán)境振動(dòng)測(cè)試結(jié)果可知，1階豎向模態(tài)占據(jù)主導(dǎo)地位。對(duì)于單一模態(tài)占主導(dǎo)的自由振動(dòng)響應(yīng)，模態(tài)阻尼比的估計(jì)可以通過(guò)用指數(shù)函數(shù)y=Ae-2πfξt擬合自由衰減響應(yīng)的包絡(luò)值而得出[9]。

2.3.1 單人跨中跳躍激勵(lì)測(cè)試

選定單人(質(zhì)量約為70 kg)在連橋跨中點(diǎn)以結(jié)構(gòu)共振頻率進(jìn)行有節(jié)奏性的跳躍運(yùn)動(dòng)，跳躍的節(jié)奏由節(jié)拍器來(lái)精確控制。當(dāng)激起結(jié)構(gòu)較大振動(dòng)時(shí)停止，同時(shí)測(cè)得人行橋自由振動(dòng)測(cè)試加速度響應(yīng)。

圖4為在1.86 Hz激勵(lì)頻率下測(cè)點(diǎn)TP4所測(cè)得的振動(dòng)響應(yīng)時(shí)程及指數(shù)函數(shù)擬合識(shí)別阻尼比，其中為了驗(yàn)證擬合的精度，由希爾伯特變換方法做出了響應(yīng)的包絡(luò)值。

圖4 自由振動(dòng)測(cè)試加速度時(shí)程及阻尼比擬合Fig.4 Acceleration response of free vibration test and fitted exponential function

圖4結(jié)果表明，自由振動(dòng)測(cè)試使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了較大的振動(dòng)，加速度峰值接近40g。同時(shí)在現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試中，激勵(lì)個(gè)體及數(shù)據(jù)采集者在該橋上均感受到了較強(qiáng)的振顫，感官上產(chǎn)生了不舒適感。指數(shù)函數(shù)擬合法識(shí)別出的原結(jié)構(gòu)模態(tài)阻尼比較小，僅為0.24%。

2.3.2 人行走及跑動(dòng)激勵(lì)測(cè)試

基于行人正常的步行、跑動(dòng)頻率范圍，選定單人(質(zhì)量約為70 kg)分別以1.74，1.86和1.95 Hz 3種頻率進(jìn)行有節(jié)奏性的步行，以2.06，2.24和2.5 Hz 3種頻率進(jìn)行有節(jié)奏性的跑動(dòng)運(yùn)動(dòng)，其節(jié)奏均由節(jié)拍器精確控制。走動(dòng)工況路徑為從橋的一端走到另一端，再返回。因?yàn)闃蛎媪粲蠺MD裝置安裝孔，考慮到測(cè)試的安全性，跑動(dòng)工況選定在跨中區(qū)域轉(zhuǎn)圈跑動(dòng)。選取測(cè)試中響應(yīng)較大的跨中測(cè)點(diǎn)TP4為代表，圖5中灰線為測(cè)得加速度響應(yīng)時(shí)程。

圖5 單人活動(dòng)時(shí)連橋振動(dòng)響應(yīng)Fig.5 Response of bridge under single person excitation

國(guó)際上有關(guān)人行橋、樓板等結(jié)構(gòu)人致振動(dòng)方面的規(guī)范大都將加速度的峰值和均方根值(root mean square，簡(jiǎn)稱RMS)作為評(píng)價(jià)指標(biāo)。文獻(xiàn)[10]指出，評(píng)估響應(yīng)均方根指標(biāo)時(shí)，選取不同時(shí)間步得到的均方根值存在差別。對(duì)于人行荷載響應(yīng)，若選擇1s或更大的時(shí)間步內(nèi)產(chǎn)生單個(gè)脈沖的RMS響應(yīng)估計(jì)，可能會(huì)忽略該段時(shí)間內(nèi)其余激勵(lì)步的脈沖。因此筆者對(duì)實(shí)際測(cè)得的加速度響應(yīng)進(jìn)行了連續(xù)(1/sf)s RMS響應(yīng)計(jì)算，其中sf為人行走步頻，取2 Hz。對(duì)各測(cè)試工況各測(cè)點(diǎn)加速度時(shí)程數(shù)據(jù)分別求整體均方根值和(1/sf)s時(shí)間步的連續(xù)均方根值。

由圖5知，(1/sf)s連續(xù)RMS值比整體RMS值更能真實(shí)地反映瞬態(tài)振動(dòng)響應(yīng)，在一些時(shí)間段，前者明顯高于后者，整體RMS值并不能表達(dá)振動(dòng)整個(gè)時(shí)間段的響應(yīng)變化情況，從而會(huì)低估結(jié)構(gòu)的響應(yīng)。

對(duì)比文獻(xiàn)[4]中所建議的振動(dòng)加速度峰值，在上述測(cè)試的共振激勵(lì)工況中，雖然單人跳躍時(shí)結(jié)構(gòu)豎向加速度峰值小于50 cm/s2，單人行走及跑動(dòng)時(shí)小于15 cm/s2，但某些時(shí)間段的振動(dòng)還是使橋上的人感受到了較強(qiáng)的振顫，感官上產(chǎn)生了不舒適感，因此有必要采取減振措施進(jìn)行豎向振動(dòng)控制。

測(cè)試中發(fā)現(xiàn)水平向振動(dòng)相對(duì)較小，其加速度峰值、均方根值僅為豎向振動(dòng)的1/5～1/8。測(cè)點(diǎn)TP13測(cè)得響應(yīng)與測(cè)點(diǎn)TP4沒(méi)有較大差異，說(shuō)明該橋沒(méi)有明顯的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)。

3 TMD減振后的減振效應(yīng)實(shí)測(cè)與分析對(duì)比

3.1 TMD減振設(shè)計(jì)概述

TMD的參數(shù)優(yōu)化主要是確定TMD裝置最優(yōu)的調(diào)諧質(zhì)量以及阻尼比，選取 TMD 的最優(yōu)剛度和阻尼系數(shù)的問(wèn)題可轉(zhuǎn)化為求解輸入與輸出的傳遞函數(shù)問(wèn)題[11-12]，基于經(jīng)典的Den Hartog公式確定了TMD減振的理論主控頻率比和阻尼比分別為0.99和6%。考慮到本研究鋼結(jié)構(gòu)連橋的實(shí)際情況，為了提高減振效果的魯棒性以及避免造成過(guò)大附加集中質(zhì)量，考慮主控頻率周?chē)欢ǖ念l帶寬度，分別在連橋中部區(qū)域的縱向下弦上安裝3個(gè)TMD裝置，其理論頻率依次為1.67，1.84和2.03 Hz。TMD產(chǎn)品由上海路博橡膠減振器技術(shù)有限公司設(shè)計(jì)生產(chǎn)，單個(gè)TMD質(zhì)量為1.2 t。TMD裝置的安裝示意以及現(xiàn)場(chǎng)照片如圖6所示。

根據(jù)原結(jié)構(gòu)施工完成后的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果，對(duì)TMD進(jìn)行了出廠前調(diào)頻，使各TMD的調(diào)頻頻率更適合實(shí)際結(jié)構(gòu)。阻尼比的調(diào)整可以通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)整阻尼桿的高度，以使減振效果達(dá)到期望的程度。

TMD減振裝置安裝完成后，首先進(jìn)行了環(huán)境振動(dòng)測(cè)試。對(duì)比第2.2節(jié)，TMD安裝前后，該連橋結(jié)構(gòu)主要振動(dòng)模態(tài)并沒(méi)有明顯變化，主頻仍為豎向1.86 Hz，橫向1.66 Hz，振動(dòng)的頻譜成分也相似。

3.2 減振前后人行激勵(lì)測(cè)試對(duì)比分析

分別進(jìn)行了單人在連橋跨中跳躍激勵(lì)測(cè)試、行走及跑動(dòng)激勵(lì)測(cè)試。測(cè)試工況及處理方法同2.3節(jié)。

3.2.1 單人跨中跳躍激勵(lì)測(cè)試對(duì)比

圖7(a)為安裝TMD后測(cè)點(diǎn)TP4在1.86 Hz激勵(lì)頻率下所測(cè)得的自由振動(dòng)響應(yīng)時(shí)程及指數(shù)函數(shù)擬合識(shí)別阻尼比。圖7(b)為跨中測(cè)點(diǎn)TP7(中TMD上)在1.86 Hz激勵(lì)頻率下所測(cè)得的自由振動(dòng)響應(yīng)時(shí)程及指數(shù)函數(shù)擬合識(shí)別阻尼比。

圖7 減振后自由振動(dòng)測(cè)試時(shí)程及阻尼比擬合Fig.7 Acceleration response of free vibration test after TMD installed and fitted exponential function

比較圖4和圖7(a)，可以看出該鋼結(jié)構(gòu)連橋的阻尼比在安裝TMD裝置后有顯著增大，在單人激起的最大加速度響應(yīng)為5 cm/s2左右時(shí)，安裝TMD后整體結(jié)構(gòu)的阻尼比較原結(jié)構(gòu)提高了4倍。減振后整體結(jié)構(gòu)的阻尼比在自由振動(dòng)衰減前5 s較大，隨著衰減時(shí)間加長(zhǎng)阻尼比降低，由0.96%降為0.56%。

由圖7(b)可以看出，TMD裝置的阻尼比也表現(xiàn)出與圖7(a)中相同的特性，測(cè)試中最大的阻尼比能達(dá)到3%，隨后阻尼比隨振動(dòng)強(qiáng)度減小而降低到1%以下，即TMD附加給主結(jié)構(gòu)的阻尼變小，造成了主結(jié)構(gòu)的阻尼特性發(fā)生了變化。

本研究所測(cè)試的各工況下，TMD裝置的實(shí)測(cè)阻尼比沒(méi)有達(dá)到設(shè)計(jì)中理論最優(yōu)的阻尼比6%。這是因?yàn)楝F(xiàn)場(chǎng)TMD調(diào)試時(shí)，根據(jù)減振前后測(cè)試效果的比對(duì)，對(duì)TMD本身的阻尼比進(jìn)行了調(diào)節(jié)；另外的原因可能是TMD的阻尼是速度相關(guān)型，在所測(cè)試的工況中并未達(dá)到一定的速度響應(yīng)。但由以上實(shí)際對(duì)比分析看，在實(shí)際的阻尼比下整體結(jié)構(gòu)的自由振動(dòng)響應(yīng)較原結(jié)構(gòu)大大減小，衰減也明顯加快，表明TMD的減振效果良好。文獻(xiàn)[13]指出，在人活動(dòng)激勵(lì)下TMD的減振效率對(duì)自身阻尼比的變化不敏感，有時(shí)TMD阻尼比大并不一定會(huì)更大地減小整體結(jié)構(gòu)的響應(yīng)，而只是會(huì)減小TMD本身的振動(dòng)。此外，各種TMD優(yōu)化方法的阻尼比的預(yù)測(cè)差異也很大，但都能取得較好的減振效果。

3.2.2 人行走及跑動(dòng)激勵(lì)測(cè)試對(duì)比

分別以加速度峰值、整體均方根值以及(1/sf)s連續(xù)均方根值為指標(biāo)，表1為各測(cè)試工況跨中測(cè)點(diǎn)TP4的TMD減振性能對(duì)比?？梢钥闯鰡稳瞬叫袝r(shí)，1.86 Hz共振工況減振率最好，3種指標(biāo)均能達(dá)到65%左右，另外兩種激勵(lì)工況TMD也有約50%的減振效率。單人跑動(dòng)時(shí)，3種頻率都不是共振頻率，但也能得到較好的減振效果。2.06，2.5 Hz時(shí)均能達(dá)到50%以上的減振率，2.24 Hz激勵(lì)工況TMD減振率較小，為35%左右。

圖8為安裝TMD前后測(cè)點(diǎn)TP4在共振工況下響應(yīng)的(1/sf) s連續(xù)均方根響應(yīng)對(duì)比，可以看出在共振激勵(lì)下，TMD減振裝置對(duì)整體結(jié)構(gòu)的振動(dòng)有較好的調(diào)諧減振作用。跳躍共振時(shí)，減振后結(jié)構(gòu)響應(yīng)均方根最大值較原結(jié)構(gòu)降低了70%，而TMD質(zhì)量塊的振動(dòng)響應(yīng)均方根最大值約為主結(jié)構(gòu)振動(dòng)的6倍，說(shuō)明TMD裝置利用自身的振動(dòng)對(duì)主結(jié)構(gòu)的振動(dòng)產(chǎn)生了良好的調(diào)諧作用，吸收部分振動(dòng)能量，大大降低了主結(jié)構(gòu)的振動(dòng)響應(yīng)。

對(duì)安裝TMD后的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了20人人群走動(dòng)測(cè)試，人群中個(gè)體按照個(gè)人正常步態(tài)行走，如圖9所示。圖9(b)為測(cè)點(diǎn)TP4測(cè)得的加速度響應(yīng)及均方根值，對(duì)照表1可以得出該工況振動(dòng)中各評(píng)估指標(biāo)均在可以接受的響應(yīng)范圍內(nèi)。

圖8 減振前后共振激勵(lì)測(cè)試的連續(xù)RMS值Fig.8 (1/sf)s RMS response with and without TMD under resonance excitation

4 結(jié) 論

1) TMD裝置安裝后，連橋結(jié)構(gòu)的振動(dòng)頻率沒(méi)有明顯變化，分布式TMD的設(shè)置形式對(duì)多種頻率激勵(lì)工況均有良好的調(diào)諧減振作用，減振率能達(dá)到35%～70%。

2) 安裝TMD后整體結(jié)構(gòu)的阻尼比較原結(jié)構(gòu)提高4倍，并且呈現(xiàn)出在自由振動(dòng)衰減的前期較大，隨著振動(dòng)幅度變?nèi)踝枘岜冉档汀?/p>

圖9 20人群走動(dòng)測(cè)試Fig.9 Test of footbridge under 20 persons walking

表1 TMD減振系統(tǒng)的豎向振動(dòng)實(shí)測(cè)性能評(píng)估

Tab.1 Experimental performance assessment for vertical vibration of structure with TMD devices

cm/s2

3) 實(shí)際服役中TMD的阻尼比可能達(dá)不到理論最優(yōu)的阻尼比，但也能得到良好的減振效果，在人活動(dòng)激勵(lì)下TMD的減振效率對(duì)自身阻尼比的變化不敏感。

4) 對(duì)TMD這種對(duì)調(diào)諧頻率較敏感的減振裝置，應(yīng)在現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)力測(cè)試識(shí)別出結(jié)構(gòu)的實(shí)際動(dòng)力特性后再進(jìn)行設(shè)計(jì)、調(diào)試，并且TMD的減振效率應(yīng)得到實(shí)際測(cè)試對(duì)比的檢驗(yàn)。

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診斷儀不同于一般的分析儀，將振動(dòng)故障診斷的成熟理論、診斷專家多年的經(jīng)驗(yàn)融合到手持式儀器中，只需輸入幾個(gè)設(shè)備參數(shù)，依據(jù)提示測(cè)量，便可自動(dòng)識(shí)別80%的常見(jiàn)故障。采用多參數(shù)缺陷識(shí)別算法的滾動(dòng)軸承診斷系統(tǒng)，更是大大降低了常見(jiàn)單參數(shù)系統(tǒng)(包絡(luò)或沖擊法)的誤診率。

10.16450/j.cnki.issn.1004-6801.2016.03.016

*國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51408435)

2015-06-12；

2015-08-20

TU392.1；TU997；TH113

王洪濤，男，1986年3月生，博士生。主要研究方向?yàn)榻Y(jié)構(gòu)振動(dòng)控制及結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)。曾發(fā)表《基于概率性人行荷載模型的樓板結(jié)構(gòu)振動(dòng)分析》(《工程力學(xué)》2014年第31卷第2期)等論文。

E-mail：wanght0211@126.com