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        大跨徑人行天橋舒適度案例分析與抑振控制

        2022-08-15 07:45:56周建波王子軍
        交通世界 2022年21期
        關(guān)鍵詞:人行天橋人行天橋

        周建波,王子軍

        (中國市政工程中南設(shè)計(jì)研究總院有限公司,湖北 武漢 430010)

        0 引言

        隨著城市道路交通的不斷發(fā)展和升級(jí)改造,大城市的主干道一般為雙向6~10車道,因行車視距、中央分隔帶寬度或管線的影響,天橋往往采用一跨跨越主干道,跨徑在30~60m。對(duì)于30m 以上的大跨徑簡支鋼箱梁,結(jié)構(gòu)阻尼小,自振頻率低,各式各樣的景觀裝飾又進(jìn)一步增大了橋梁自重、降低了自振頻率。

        當(dāng)人行走在橋面上時(shí),會(huì)感覺到上下左右晃動(dòng),嚴(yán)重者會(huì)感到頭暈?zāi)垦?,?dāng)人群行走的頻率與天橋自身某一階的自振頻率接近時(shí),又極易引起共振現(xiàn)象,發(fā)生共振時(shí)天橋的動(dòng)力響應(yīng)會(huì)明顯增大,從而導(dǎo)致恐慌踩踏甚至橋毀人亡的事故。因此,對(duì)大跨徑人行天橋進(jìn)行舒適度分析并采取抑振控制措施是十分必要的。本文以實(shí)際工程為例詳細(xì)介紹大跨徑人行天橋的人致振動(dòng)分析過程和TMD抑振控制。

        1 舒適度評(píng)價(jià)指標(biāo)

        目前國內(nèi)外對(duì)人行天橋舒適度的評(píng)價(jià)指標(biāo)主要有自振頻率和加速度值兩種,我國執(zhí)行的《城市人行天橋與人行地道技術(shù)規(guī)范》(CJJ 69—1995),規(guī)范條文規(guī)定“上部結(jié)構(gòu)豎向自振頻率[1]不應(yīng)小于3Hz”,主要依據(jù)在于人行走時(shí)頻率范圍在1.6~2.4Hz,采用的是避開敏感區(qū)域頻率法,該頻率限值對(duì)于大跨徑人行天橋難以滿足;通過計(jì)算,該案例中人行天橋在梁高2.4m 時(shí)一階豎向自振頻率為1.77Hz,根據(jù)簡支梁橋頻率計(jì)算公式如要求其豎向頻率達(dá)到3Hz,在主梁質(zhì)量不變的前提下,其剛度需要增加近3倍,梁高會(huì)大幅增加,嚴(yán)重影響橋梁景觀,結(jié)構(gòu)質(zhì)量也會(huì)隨之增大,鋼板的實(shí)際應(yīng)力會(huì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于鋼材容許應(yīng)力,強(qiáng)度得不到充分發(fā)揮,造成材料的浪費(fèi),這與橋梁經(jīng)濟(jì)、美觀的設(shè)計(jì)理念不符。

        國外規(guī)范主要以豎向加速度[2]作為評(píng)價(jià)舒適度的指標(biāo),豎向基頻作為補(bǔ)充指標(biāo),在計(jì)算天橋豎向加速度時(shí),既要考慮單人荷載又要考慮人群荷載作用,采用隨時(shí)間變化的均方根加速度值。目前國際上采用的豎向加速度限值見表1。其中,英國、歐盟規(guī)范規(guī)定“當(dāng)橋梁豎向基頻大于5Hz 時(shí),不用再驗(yàn)算振動(dòng)最大響應(yīng),舒適度滿足要求”;瑞典規(guī)范規(guī)定“當(dāng)橋梁豎向基頻大于3.5Hz時(shí)舒適度可以滿足”。

        表1 國際規(guī)范中人行天橋振動(dòng)舒適度的臨界值

        國際民用建筑設(shè)計(jì)規(guī)范ISO 2631-2 標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定“對(duì)室內(nèi)天橋樓蓋豎向振動(dòng)加速度應(yīng)不大于0.15m/s2,對(duì)室外人行天橋豎向振動(dòng)加速度應(yīng)不大于0.5m/s2”,而我國民用建筑設(shè)計(jì)規(guī)范——《建筑樓蓋振動(dòng)舒適度技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》(JGT/T 441-2019)有關(guān)條文對(duì)連廊和室內(nèi)天橋的豎向振動(dòng)峰值加速度限值要求不大于0.15m/s2;可見標(biāo)準(zhǔn)根據(jù)人群密集程度和人行激勵(lì)的不同對(duì)室內(nèi)天橋和室外人行天橋的舒適度要求并不相同,對(duì)室內(nèi)天橋的加速度要求明顯高于室外人行天橋;但兩者均未對(duì)結(jié)構(gòu)一階豎向自振頻率作明確限制。

        2 案例背景

        該天橋位于寶雞市行政中心南側(cè),橫跨西寶高速主干道,天橋呈工字形布置,主跨徑50m,主梁全長58.7m,橋面總寬12m,采用簡支鋼箱梁結(jié)構(gòu),主梁高2.4m;因項(xiàng)目業(yè)主對(duì)本天橋景觀要求較高,橋面除7m范圍人行區(qū)域外,在兩側(cè)各設(shè)置了2m 寬綠化帶和仿白玉欄桿,荷載重量大,標(biāo)準(zhǔn)斷面見圖1。

        圖1 標(biāo)準(zhǔn)斷面圖(cm)

        采用MIDAS 軟件對(duì)該結(jié)構(gòu)進(jìn)行特征值分析,第一模態(tài)為主梁豎向振動(dòng),頻率為1.77Hz,第二模態(tài)為主梁豎向彎曲振動(dòng),頻率為8.71Hz;第一模態(tài)基頻小于3Hz,與人行豎向步頻1.2~3Hz 較為接近,需進(jìn)行人致振動(dòng)響應(yīng)分析。

        3 采用的評(píng)價(jià)指標(biāo)

        綜合考慮以上各標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定,按照經(jīng)濟(jì)合理、最大限度提高天橋舒適度的原則,本項(xiàng)目豎向振動(dòng)加速度限值采用國外規(guī)范中的0.5m/s2。

        4 人行荷載模型

        4.1 荷載定義

        大量學(xué)者通過對(duì)天橋在隨機(jī)人群荷載作用下的實(shí)測數(shù)據(jù)和理論計(jì)算結(jié)果的對(duì)比,總結(jié)出一系列準(zhǔn)確適用的人群荷載模型,并且國際上目前已有多個(gè)規(guī)范對(duì)人行荷載做了定義。

        目前有英國規(guī)范BSI5400、瑞典規(guī)范Bro2004 及國際標(biāo)準(zhǔn)化組織ISO 規(guī)范中的行人荷載標(biāo)準(zhǔn)。其中國際標(biāo)準(zhǔn)化組織ISO 規(guī)范的荷載模型考慮相對(duì)全面,既有單人荷載模型和人群荷載模型,又有橫向荷載模型和豎向荷載模型,同時(shí)也考慮了人群的非一致步伐情況,因此本項(xiàng)目人群荷載模型擬采用國際標(biāo)準(zhǔn)化組織ISO 規(guī)范荷載模型。

        國際標(biāo)準(zhǔn)化組織ISO 規(guī)范以人群密度來考慮人數(shù)Np??紤]到橋上人群以非一致性步伐行走時(shí),行人引起的部分振動(dòng)效應(yīng)會(huì)相互抵消,因此規(guī)范通過非一致調(diào)整系數(shù)C(Np)來考慮步伐非一致對(duì)振動(dòng)響應(yīng)的影響,調(diào)整系數(shù)為式(1)。

        式中:NP為人群數(shù)量,NP=BxLxS;B 為橋面人行道寬度;L為人群加載長度;S為人群密度。

        參考國外的研究成果,當(dāng)步行頻率為1Hz時(shí),行人密度為1 人/㎡,步行頻率為3.5Hz 時(shí),行人密度為0.2人/㎡,中間步行頻率采用插值法,取S=0.9人/㎡。

        4.2 人行荷載取值

        人行荷載通過SAP 2 000 節(jié)點(diǎn)動(dòng)力荷載模式施加于人行橋主跨跨中附近,經(jīng)過多次仿真分析測試,此工況為可能發(fā)生的最不利情況,會(huì)引起結(jié)構(gòu)最大的動(dòng)力響應(yīng),天橋橫斷面寬12m,可供人行走寬度約為7m,主梁全長58.7m,因此同步人行數(shù)量為式(2):

        不同行人步頻和初始相位不同,采用單人步行荷載乘以調(diào)整系數(shù)模擬多人荷載,見式(3):

        式中:Fp(t)為單人步行荷載[6],為單人行走隨時(shí)間變化的函數(shù),具體計(jì)算公式為:P0為單個(gè)人的重量,一般取值0.7kN;αi為第i階荷載頻率的動(dòng)力因子;fi為第i 階荷載頻率;ψi為第i 階荷載頻率的相位角;t為時(shí)間因子,其中αi可由《樓板體系振動(dòng)舒適度設(shè)計(jì)》書中圖2.2查得;ψi由頻率比和結(jié)構(gòu)阻尼比共同確定,在該案例中,ψi= 3.18。

        4.3 人行荷載的施加

        人行荷載施加位置見圖2,通過對(duì)人自然行走時(shí)天橋豎向頻率時(shí)程曲線進(jìn)行分析,天橋的豎向振動(dòng)頻率與自然行走時(shí)的頻率較為接近,因此分析人致振動(dòng)時(shí)加載頻率采用1.77Hz。

        圖2 人行荷載加載位置示意

        5 步行激勵(lì)響應(yīng)[3]分析

        荷載工況取人群在與結(jié)構(gòu)同頻行走時(shí)、結(jié)構(gòu)自身阻尼比ξ=0.015 情況下結(jié)構(gòu)的最大豎向振動(dòng)加速度。通過分析,在1.77Hz 激勵(lì)時(shí),結(jié)構(gòu)最大豎向振動(dòng)加速度出現(xiàn)在跨中節(jié)點(diǎn)16,最大值為2.07m/s2,遠(yuǎn)大于0.5m/s2,不滿足天橋舒適度目標(biāo)。

        因此,在相應(yīng)的步行激勵(lì)作用下,該人行天橋振動(dòng)加速度逐步增大,最大值為2.078m/s2,超出規(guī)范要求且容易引起共振,需要采取相應(yīng)減振措施。

        6 TMD參數(shù)設(shè)計(jì)

        圖3 16號(hào)節(jié)點(diǎn)豎向振動(dòng)加速度時(shí)程曲線(mm/s2)

        國內(nèi)外人行橋的振動(dòng)控制措施主要分為主動(dòng)控制和被動(dòng)控制。主動(dòng)控制由于需要外部能源提供控制力,構(gòu)造復(fù)雜、造價(jià)高,目前還主要處于研究階段;而被動(dòng)控制不需要外部提供能源,造價(jià)較低,可靠性高,其理論和試驗(yàn)研究都取得了較大進(jìn)展。當(dāng)前大跨橋梁與建筑結(jié)構(gòu)中常采用的被動(dòng)控制方法主要包括黏滯阻尼器、摩擦類阻尼器、質(zhì)量調(diào)諧阻尼器、液體調(diào)諧阻尼器等。

        調(diào)諧質(zhì)量阻尼器(TMD)[4-5]是大跨度結(jié)構(gòu)減振措施中應(yīng)用最多的,通過把一個(gè)較小的振動(dòng)系統(tǒng)安裝在需要減振的主結(jié)構(gòu)上,和主結(jié)構(gòu)發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng),從而來吸收主結(jié)構(gòu)控制振型的振動(dòng)能量,達(dá)到抑制主結(jié)構(gòu)振動(dòng)的效果。

        根據(jù)前面計(jì)算結(jié)果,結(jié)構(gòu)豎向振型振動(dòng)響應(yīng)明顯,采用質(zhì)量調(diào)諧阻尼器(TMD)進(jìn)行振動(dòng)控制。根據(jù)最優(yōu)化設(shè)計(jì)準(zhǔn)則,參照有限元計(jì)算的結(jié)構(gòu)質(zhì)量及各階豎向振動(dòng)的頻率,確定了人行橋結(jié)構(gòu)調(diào)諧質(zhì)量減振器TMD 的主要參數(shù)如表2。

        表2 TMD設(shè)計(jì)參數(shù)

        7 抑振效果驗(yàn)證

        圖4 為安裝TMD 后跨中16 號(hào)節(jié)點(diǎn)最大振動(dòng)加速度響應(yīng)時(shí)程曲線,表3 為安裝TMD 前后16 號(hào)節(jié)點(diǎn)的最大豎向加速度值??梢钥闯?,安裝TMD 后,結(jié)構(gòu)跨中豎向振動(dòng)加速度峰值為0.253m/s2,較未采取減振措施之前降低了88%,完全滿足舒適度要求??梢姡惭bTMD后,對(duì)該天橋豎向振動(dòng)抑制效果較好。

        表3 安裝TMD前后結(jié)構(gòu)振動(dòng)響應(yīng)加速度對(duì)比

        圖4 設(shè)TMD后16號(hào)節(jié)點(diǎn)豎向振動(dòng)加速度時(shí)程曲線(mm/s2)

        值得一提的是,人群在行走時(shí),側(cè)向振動(dòng)敏感頻率范圍為0.5~1.2Hz,而該天橋由于橋面較寬,前兩階振動(dòng)主要以豎向振動(dòng)為主,橫向振動(dòng)頻率在10Hz以上,因此結(jié)構(gòu)橫向振動(dòng)頻率完全可滿足舒適度要求。

        8 結(jié)論

        (1)通過對(duì)主跨50m人行天橋?qū)嶋H案例的人致振動(dòng)分析,該橋在人群步行激勵(lì)下的振動(dòng)加速度峰值大于0.5m/s2,人體會(huì)明顯感到不適,嚴(yán)重影響天橋使用舒適度,且人自然行走頻率和結(jié)構(gòu)一階豎向振動(dòng)頻率較為接近,容易引起共振現(xiàn)象,安全隱患較高,需要采用抑振措施。

        (2)安裝TMD 后,人行橋的加速度明顯減小且趨于穩(wěn)定,最大值為0.253m/s2,減振效果在80%以上,舒適度滿足規(guī)范要求。

        (3)由于理論模型與實(shí)際結(jié)構(gòu)存在一定的誤差,因此在確定TMD 最終參數(shù)前應(yīng)進(jìn)行現(xiàn)場頻率的實(shí)測,根據(jù)測試結(jié)果再對(duì)TMD 參數(shù)進(jìn)行調(diào)整。

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