閆興偉,劉 楊

(1.上海路博減振科技股份有限公司,上海 201418；2.上海應(yīng)用技術(shù)大學(xué)，上海 201418)

0 引 言

調(diào)諧質(zhì)量阻尼器(tuned mass damper，TMD)常作為減小結(jié)構(gòu)在外部環(huán)境激勵(lì)下的振動(dòng)響應(yīng)系統(tǒng)，系統(tǒng)是由質(zhì)量塊、彈簧與阻尼減振器組成的，一般支承或懸掛在結(jié)構(gòu)上[1,2]。本文結(jié)合某景觀橋項(xiàng)目，采用國(guó)際通用 Midas Gen[3]軟件對(duì)項(xiàng)目進(jìn)行建模分析人行荷載激勵(lì)下的動(dòng)力特性，根據(jù)分析數(shù)據(jù)為其設(shè)計(jì) TMD，再針對(duì)安裝 TMD 前后的結(jié)構(gòu)響應(yīng)進(jìn)行對(duì)比。最后，對(duì)實(shí)際結(jié)構(gòu)安裝TMD 解鎖前后進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試以及對(duì)比分析，最終得到的工況數(shù)據(jù)均滿足要求，表明TMD在此項(xiàng)目中減振方面起到了良好的作用。本項(xiàng)目主要采用上海路博減振科技股份有限公司的產(chǎn)品,如圖1所示。

圖1

1 某景觀橋模型分析

1.1 工程概況

某景觀橋建筑結(jié)構(gòu)安全等級(jí)為二級(jí)，建筑抗震設(shè)防分類為8度0.20g，設(shè)計(jì)使用年限為50年，采用斜拉橋構(gòu)造，觀光鋼平臺(tái)總長(zhǎng)116.339 m，鋼平臺(tái)觀光區(qū)最大懸臂長(zhǎng)度60.919 m，塔柱高度28.250 m，由12根拉鎖與塔柱連接，如圖2所示。

圖2 建筑效果CAD圖

1.2 舒適度指標(biāo)選取

大量的研究和實(shí)驗(yàn)證明，人的舒適性感受可以采用樓蓋的振動(dòng)加速度響應(yīng)來(lái)進(jìn)行評(píng)價(jià)[4-7]。舒適度指標(biāo)的選取根據(jù)文獻(xiàn)顯示，德國(guó)規(guī)范[8]的控制指標(biāo)為人行橋豎向加速度不超過(guò) 0.5 m /s2，美國(guó)標(biāo)準(zhǔn) AISC-11[9]規(guī)定商場(chǎng)、室外人行橋豎向振動(dòng)峰值分別為 0.15 m/s2和0.5 m/s2。JGJT 441-2019《建筑樓蓋結(jié)構(gòu)振動(dòng)舒適度技術(shù)規(guī)程》第4.2.3條規(guī)定：連廊和室內(nèi)天橋的第一階豎向自振頻率不宜小于3Hz，第一階橫向自振頻率不宜小于1.2Hz[10]。連廊和室內(nèi)天橋的振動(dòng)峰值加速度不應(yīng)大于表4.2.3的限值。

因此本項(xiàng)目豎向峰值加速度限值取為0.5 m/s2，橫橋向峰值加速度限值取為0.1 m/s2。根據(jù)GB 50009-2012《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》規(guī)定，在風(fēng)荷載作用下，加速度限值為0.15 m/s2[11]。

1.3 建模分析

本項(xiàng)目采用midasGen對(duì)整體結(jié)構(gòu)建模。振型數(shù)目取值為100，使用特征值法進(jìn)行整體模型的模態(tài)分析。通過(guò)觀察結(jié)構(gòu)振型可以看出，第4階振型對(duì)結(jié)構(gòu)豎向適度影響最大,見(jiàn)表1。

表1 未減振結(jié)構(gòu)4階振型周期與質(zhì)量參與系數(shù)

第4階振型模態(tài)頻率為1.51 Hz，其振型如圖3所示。

圖3 第4階振型

根據(jù)分析數(shù)據(jù)為達(dá)到最優(yōu)減振效果，一共布置4個(gè)TMD，布置位置如圖4所示。TMD參數(shù)包括豎向1.51 Hz數(shù)量2個(gè)，1.7Hz數(shù)量2個(gè)。

圖4 TMD布置示意圖

根據(jù)人行荷載參數(shù)，考慮人群密度1.5人/m2，選取1.7 Hz、2.1 Hz以及共振頻率1.51 Hz作為豎向加載工況頻率。統(tǒng)計(jì)時(shí)程分析結(jié)果中振動(dòng)響應(yīng)的最大值，對(duì)比增加TMD裝置前后的加速度情況。由表2中的分析結(jié)果可以看出，原結(jié)構(gòu)在豎向人行荷載激勵(lì)下，當(dāng)激勵(lì)頻率接近共振頻率時(shí)，加速度幅值超過(guò)規(guī)范限值0.5 m/s2，不滿足規(guī)范要求。增加TMD裝置進(jìn)行減振后，結(jié)構(gòu)在人行荷載激勵(lì)下，加速度幅值均被控制在0.5 m/s2以內(nèi)，共振激勵(lì)下的結(jié)構(gòu)加速度減振率為68.5%，減振效果明顯，滿足了規(guī)范對(duì)舒適度的要求。

表2 豎向人行荷載下原結(jié)構(gòu)與TMD系統(tǒng)加速度對(duì)比

2 現(xiàn)場(chǎng)振動(dòng)測(cè)試方案

2.1 結(jié)構(gòu)自振頻率測(cè)試

利用脈動(dòng)法測(cè)試結(jié)構(gòu)基本自振頻率，以此作為TMD頻率調(diào)試的基準(zhǔn)頻率。測(cè)試時(shí)禁止周圍人員走動(dòng)和施工作業(yè)。傳感器布置在景觀橋的端部振動(dòng)最大的位置，主要測(cè)量豎向的自振頻率。測(cè)點(diǎn)位置如圖5所示。

圖5 測(cè)點(diǎn)位置

2.2 步行荷載激勵(lì)

測(cè)試在不同頻率人行荷載激勵(lì)下結(jié)構(gòu)的響應(yīng)。

(1)傳感器的布置：橋面懸臂最遠(yuǎn)端位置。

(2)測(cè)試在4人行走及7人行走工況下橋面的豎向加速度。

2.3 TMD控制效果評(píng)價(jià)

通過(guò)對(duì)安裝TMD前后景觀橋的頻率與規(guī)范限值進(jìn)行對(duì)比。若加速度峰值在舒適度要求的限值之內(nèi)，則說(shuō)明TMD的安裝是有效果的。

3 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試效果分析

3.1 解鎖前人行天橋自振頻率

針對(duì)解鎖前人行天橋的自振頻率進(jìn)行測(cè)試，由測(cè)試結(jié)果可知人行天橋以懸臂端豎向振動(dòng)為主的自振頻率為1.61 Hz，與計(jì)算結(jié)果得到的1.51 Hz非常接近，精度得到保障。測(cè)試在4人行走及7人行走時(shí)景觀橋的豎向加速度，結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 解鎖前步行荷載激勵(lì)下結(jié)構(gòu)加速度響應(yīng)峰值(舒適度限值：0.5m/s2)

由以上數(shù)據(jù)可知，解鎖前自振測(cè)點(diǎn)一峰值加速度為0.054 m/s2，測(cè)點(diǎn)二峰值加速度為0.087 m/s2均無(wú)異常；步行激勵(lì)下，4人行走測(cè)點(diǎn)一峰值加速度0.605 m/s2，測(cè)點(diǎn)二峰值加速度0.709 m/s2，7人行走測(cè)點(diǎn)一峰值加速度1.106 m/s2，測(cè)點(diǎn)二峰值加速度1.309 m/s2，均不滿足舒適度要求。

3.2 步行荷載激勵(lì)

測(cè)試在4人行走及7人行走時(shí)景觀橋的豎向加速度，結(jié)果如表4所示。豎向加速度峰值小于0.5 m/s2，滿足舒適度的標(biāo)準(zhǔn)。

表4 步行荷載激勵(lì)下結(jié)構(gòu)加速度響應(yīng)峰值(舒適度限值：0.5 m/s2)

3.3 現(xiàn)場(chǎng)效果分析

根據(jù)舒適度標(biāo)準(zhǔn)，要求加速度峰值不超過(guò)0.5 m/s2。而通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)的結(jié)果顯示，在各種工況下結(jié)構(gòu)的加速度反應(yīng)均滿足舒適度要求，說(shuō)明TMD起到了很好的減振效果。步行荷載激勵(lì)時(shí)的最大豎向加速度為0.346 m/s2，均小于舒適度標(biāo)準(zhǔn)要求的0.5 m/s2。其中，步行荷載工況下，由于受到其他施工的干擾，加速度時(shí)程曲線中存在明顯的沖擊作用，實(shí)際由步行產(chǎn)生的豎向加速度數(shù)值更小。

4 結(jié) 論

通過(guò)對(duì)某景觀橋建模與實(shí)測(cè)情況的分析，得到以下結(jié)論及建議：

(1)通過(guò)建模分析結(jié)構(gòu)的第4階振型對(duì)結(jié)構(gòu)豎向適度影響最大，為達(dá)到最優(yōu)的減振效果采用加裝4個(gè)TMD進(jìn)行減振，選取結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)豎向振動(dòng)頻率為1.51 Hz，通過(guò)對(duì)結(jié)構(gòu)舒適度的分析發(fā)現(xiàn)，加裝TMD后豎向人行荷載激勵(lì)下結(jié)構(gòu)豎向加速度均小于0.5 m/s2，共振激勵(lì)下的結(jié)構(gòu)豎向加速度減振率為68.5%，滿足舒適度的要求。分析可得加裝TMD的效果明顯。

(2)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)可知人行天橋以懸臂端豎向振動(dòng)為主的自振頻率為1.61Hz，與計(jì)算結(jié)果得到的1.51Hz非常接近，驗(yàn)證建模分析選取頻率有效，精度得到保障。

(3)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)在解鎖TMD之前的測(cè)點(diǎn)一和測(cè)點(diǎn)二的豎向人行荷載激勵(lì)下結(jié)構(gòu)豎向加速度均不滿足舒適度要求。

(4)步行激勵(lì)下，4人行走測(cè)點(diǎn)一峰值加速度由原來(lái)的0.605 m/s2降低到0.167 m/s2，豎向加速度減振率為72.4%，測(cè)點(diǎn)二峰值加速度由原來(lái)的0.709 m/s2降低到0.346 m/s2，豎向加速度減振率為51.1%；7人行走測(cè)點(diǎn)一峰值加速度由原來(lái)的1.101 m/s2降低到0.205 m/s2，豎向加速度減振率為81.5%，測(cè)點(diǎn)二峰值加速度由原來(lái)的1.309 m/s2降低到0.285m/s2，豎向加速度減振率為76.4%，均滿足舒適度要求。

(5)建模分析中共振激勵(lì)下的結(jié)構(gòu)豎向加速度減振率為68.5%，實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)中共振激勵(lì)下的結(jié)構(gòu)豎向加速度平均減振率為70.3%，由此可見(jiàn)自振頻率的選取還是有一定的影響，總體來(lái)看對(duì)舒適度的影響不大，均滿足舒適度要求。

綜上所述，在實(shí)際工程中建模分析的數(shù)據(jù)可信度還是非常高的，而且在減振效果方面TMD的安裝對(duì)整個(gè)項(xiàng)目減振效果非常好，所以建議在工程項(xiàng)目允許的情況下考慮加裝TMD產(chǎn)品。