王秀艷

（天津城建設(shè)計院有限公司，天津市 300122）

0 引 言

歷史上曾發(fā)生軍人列隊齊步過橋時的動載作用導(dǎo)致橋梁破壞的事件，當(dāng)時人們僅認(rèn)識到這是由于共振引起，直到2000年英國千禧橋在開通當(dāng)日即發(fā)生過度橫向振動事件，并且發(fā)現(xiàn)其他橋上也有過同樣的過度振動現(xiàn)象發(fā)生，才引起了前所未有的廣泛重視。千禧橋是英國為慶祝進(jìn)入21世紀(jì)而在倫敦泰晤士河上新建的一座人行橋，該橋是一座結(jié)構(gòu)新穎的扁平輕巧的懸索橋，從規(guī)劃、設(shè)計以來備受關(guān)注，并于2000年6月開通，然而開放行人當(dāng)日橋梁即發(fā)生過量的橫向搖擺，在減少上橋人數(shù)仍發(fā)生過量橫向搖擺的情況下，臨時關(guān)閉該橋梁。這樣一座事先大肆渲染、女王親自剪彩、耗資達(dá)1 800萬英鎊的新結(jié)構(gòu)橋梁在開通3 d后就不得不關(guān)閉的重大新聞立刻傳遍了全世界。而后設(shè)計師對千禧橋的減振措施進(jìn)行了研究，通過提高橋梁的阻尼來減少共振響應(yīng)，以確保結(jié)構(gòu)的動力穩(wěn)定性。減振工程共用了包括TMD調(diào)制阻尼器在內(nèi)的37個阻尼器。開通后橋梁再沒有共振現(xiàn)象產(chǎn)生，行人也沒有任何不適應(yīng)的報告。

1 TMD的減振原理

TMD調(diào)制阻尼器的減振原理是在主結(jié)構(gòu)（主系統(tǒng)）上耦合一個彈簧質(zhì)量阻尼振動系統(tǒng)（附加系統(tǒng)）。當(dāng)附加振動系統(tǒng)的固有頻率處于主系統(tǒng)的原固有頻率附近，則可使主系統(tǒng)原固有頻率處的共振峰消失，即由原主系統(tǒng)的單峰共振區(qū)轉(zhuǎn)變?yōu)樾孪到y(tǒng)的雙峰共振區(qū)，且峰值頻率一個上移、一個下移。在理論上存在著最佳的TMD配置參數(shù)。TMD附加質(zhì)量越大，減振效果越好，但往往受結(jié)構(gòu)承載力和成本的限制。TMD調(diào)制阻尼器的減振效果已被國內(nèi)外數(shù)百項工程實踐所驗證，包括建筑高層工程、高聳結(jié)構(gòu)工程、橋梁工程和大跨度結(jié)構(gòu)工程等[1]。本文以工程案例的形式來介紹TMD減振裝置在橋梁工程中的應(yīng)用。

2 TMD在橋梁工程中的應(yīng)用

2.1 在人行懸索橋中的應(yīng)用

某人行懸索橋跨徑布置為36 m+180 m+36 m，主橋橋面總寬3.3 m，凈寬2 m（見圖1）。橋梁整體結(jié)構(gòu)非常柔，一階豎向振動頻率小于3 Hz，不滿足《城市人行天橋與人行地道技術(shù)規(guī)范》（CJJ 69—1995）規(guī)范要求。

圖1 某大跨人行懸索橋

為提高該人行懸索橋在人行移動荷載作用下的舒適度，調(diào)研國內(nèi)外相關(guān)規(guī)范如下：國外規(guī)范大多通過規(guī)定結(jié)構(gòu)最大豎向加速度限值來確保人行的舒適度。例如，英國規(guī)范BSI（1978）規(guī)定，人體可承受的豎向加速度限值為0.78 m/s2，超出該數(shù)值人會感覺不舒服；ISO 10137：2007規(guī)范規(guī)定的該加速度限值為0.3～0.6 m/s2；歐洲EN1990規(guī)范規(guī)定人行橋面任何位置的豎向振動加速度峰值均應(yīng)小于0.7 m/s2。

本文工程在分析過程中，將一般人群移動荷載作用下的橋面豎向振動和人群移動荷載作用引起的側(cè)橋向振動所產(chǎn)生的橋面最大峰值加速度限值定為0.5 m/s2，將極端密集人群荷載作用引起的橋面豎向振動加速度峰值定為0.78 m/s2。經(jīng)優(yōu)化分析，采用6個TMD質(zhì)量塊，每個質(zhì)量塊重0.7 t時，在人行荷載作用下橋梁能夠達(dá)到最優(yōu)的減振效果。其中，中跨跨中位置設(shè)置2個TMD質(zhì)量塊，距中跨跨中20 m位置各設(shè)置2個TMD質(zhì)量塊。

2.2 在梁橋中的應(yīng)用

某鋼結(jié)構(gòu)橋梁跨徑布置為45 m+90 m+45 m，為鋼箱、鋼桁架組合梁橋，橋面上通行機(jī)動車，中跨鋼桁架結(jié)構(gòu)的下層設(shè)置咖啡館及人非混行車道，橋梁造型美觀大方，但結(jié)構(gòu)形式較輕柔（見圖2）。由模態(tài)分析可知，第一階豎向振動頻率為1.80 Hz，而人行頻率在1.3～2.5 Hz，當(dāng)大量人群在橋上行走時，易引起橋的共振反應(yīng)，會嚴(yán)重影響到行人以及咖啡廳區(qū)域的舒適度。因結(jié)構(gòu)共振引起的加速度振幅過大，超過人體舒適度耐受極限，極易在心理上造成恐慌。

圖2 某鋼箱、鋼桁架組合梁橋

改善橋梁動力特性有兩種常用方法：第一種就是增大橋梁的剛度，使結(jié)構(gòu)固有頻率不在人群激勵的頻率范圍內(nèi)；第二種就是提高橋梁的阻尼來減少共振響應(yīng)。如果采用增大主梁截面或改變結(jié)構(gòu)形式的方法，從經(jīng)濟(jì)角度看是不合理的，從美觀角度看也是不可行的。因此提高橋梁剛度幾乎是不可行的，減振途徑只能是提高結(jié)構(gòu)阻尼。調(diào)研國內(nèi)外規(guī)范，橋梁下層咖啡廳人行舒適度標(biāo)準(zhǔn)可參照《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》（JGJ 3—2010）表3.7.3的規(guī)定，按照人員活動環(huán)境的商場及室內(nèi)連廊樓蓋控制豎向振動加速度限值，確定減振后結(jié)構(gòu)峰值加速度限值為0.22 m/s2。

經(jīng)過優(yōu)化計算，在橋跨中部位置下部（即咖啡廳下方）布置12個TMD調(diào)制阻尼器，其中，彈簧剛度為32 kN/m，每個質(zhì)量塊質(zhì)量為1 000 kg。計算結(jié)果表明，該減振設(shè)計方案可有效抑制結(jié)構(gòu)在人行荷載激勵和行車激勵下的振動，滿足咖啡廳使用功能要求。所有工況下，當(dāng)激勵停止，結(jié)構(gòu)振動自由衰減情況下，安裝TMD的結(jié)構(gòu)振動衰減速度較快，表明TMD發(fā)揮了良好的減振作用。

3 結(jié)語

目前傳統(tǒng)的TMD產(chǎn)品已廣泛應(yīng)用于橋梁消能減振設(shè)計中，對提高行人舒適度起到了至關(guān)重要的作用。然而傳統(tǒng)的TMD產(chǎn)品也暴露出阻尼構(gòu)件與彈性元件易損耗、后期調(diào)節(jié)難、需要較多維護(hù)等諸多缺點。電渦流阻尼調(diào)諧質(zhì)量阻尼器（電渦流TMD，是一種新型的TMD減振裝置）是一種抗疲勞、長壽命、無須維護(hù)的新型減振器，當(dāng)結(jié)構(gòu)振動時，帶動電渦流TMD往復(fù)運(yùn)動，固定在質(zhì)量塊的磁體會一起運(yùn)動，從而在固定的導(dǎo)體上產(chǎn)生抑制質(zhì)量塊相對運(yùn)動的電渦流阻尼，通過電渦流阻尼，將振動能量通過導(dǎo)體的電阻熱效應(yīng)消耗掉。隨著技術(shù)的推廣及發(fā)展，新型TMD裝置在橋梁消能減振方面具有更加廣闊的應(yīng)用前景。