第二十三届全国高层建筑结构学术会议论文 2014年 某大跨度钢连桥减振及舒适度分析 安日新，李毅，王杨，杜文博，孙建超，徐小童 （中国建筑科学研究院建筑设计院，北京100013） [摘要]本工程钢连桥采用钢桁架结构体系，跨度达82m.整于大跨度结构在正常使用状态下结构应具有良 好的舒适性，对该钢连桥采有限元程序SAP2000进行了人行激励作用下的舒适度分析，由于结构本身不满足舒适 度要求，因此对结构采用TMD减振系统进行减振设计，分析结果表明，该结构附加TMD减振系统后，其减振效 果明显，且整向振动舒适度满足正常使用要求.
[关键词]钢连桥：大跨度结构：舒适度：TMD减振系统： 近年来，随着我国经济技术水平的飞速发展，建筑的功能的趋向于多样化、复杂化，大跨度结构应用 越来越多，这些大跨度结构其竖向自振频率较低，人行荷载或机械设备荷载可能会引起的结构竖向振动及 共振响应，会引起舒适度间题，因此对大跨度结构进行舒适度分析很有必要.
1工程概况 本工程钢连桥位于北京，为连接两个单体建筑之间交通的连桥，跨度为82m，宽5.6m，三层行人桥面， 采用钢桁架体系，钢连桥结构图如图1、2所示，两个单体建筑主体采用钢筋混凝土结构，钢连桥采用型 钢柱与核心筒共同支撑，在型钢柱柱顶放置万向球形支座，一端为固端，一端滑动，以减少地震和温度作 用下大跨度钢连桥对两个单体结构的影响，钢连桥对应的楼层和屋面板采用组合楼盖楼板.
图1钢连桥结构侧立面图 图2钢连桥结构剖面图 作者简介：安日新（1978-)，男学士，工程师
第二十三届全国高层建筑结构学术会议论文 2014年 2大跨度钢连桥振动特性分析 2.1结构计算模型 根据结构实际情况，考虑实际的约束条件，采用SAP2000进行建模，结构质量考虑实际荷载情况（取 1.0结构自重1.0楼面非结构恒载0.5活载），钢桁架杆件采用Frame单元模拟，楼板采用壳单元（shel1） 模拟.
本工程钢连桥跨度达82m，因此需要考虑其舒适度问题.
钢连桥桥宽（5.6m）相对于其跨度（82m）较 小，因而其侧向刚度相对较小，虽然人行天桥存在竖向振动的问题，但当侧向刚度较弱时也可能发生横向 振动的问题，如伦敦的干禧大桥发生过横向振动间题.
对于横向振动，我国这方面研究较少，国外大部分 规范规定横向敏感频率范围为竖向频率范围的一半，德国规范规定人行横向频率敏感范围为05~1.2Hz，根 据伦敦千禧大桥研究报告表明，对于横向振动小于1.5Hz的人行天桥均有可能发生横向同步激励诱发的横 向动力失稳 所以对于本工程，我们采用两个方案（有侧向约束和无侧向约束）两个计算模型进行对比：两个计算 模型通过限元软件SAP2000分析，分析模型及结果如下图3所示： 有侧向约束 图3钢连桥结构计算模型 计算结果表明：两个模型第一振型均为横向振动，对于方案一（桁架顶部有侧向约束）的计算模型第 一振型频率为1.82Hz离横向敏感范围有一点的距离，方案二（桁架顶无侧向约束）计算模型第一振型频 率为1.32Hz，处于横向振动敏感区域，有可能发生横向同步激励诱发的横向动力失稳.
为了结构安全，在 设计时应在钢连桥顶部附加侧向约束.
根据钢连桥附加侧向约束计算模型进行钢连桥自振特性分析，第一竖向振动周期为0.43s，频率为 2.31Hz，低于3Hz，与人步行频率接近.
当人流密集时，很可能存在桥面板竖向振动的舒适度问题.
3结构计算方法 楼板的振动，一般是由人行走、机械车辆设备运行等产生的，楼盖振动过大会影响到人们的正常工作 生活，楼盖的振动限制取决于人们对振动的感觉.
人对楼盖的振动的感觉取决于楼盖振动的大小和持续时 间，取决于人所处的环境、人所从事的活动和人的生理反应.
3.1人行激励荷载 由于行人行走过程的复杂性和随机性，国内外对行走激励荷载曲线还没有一个统一的标准，目前主要 有三种外荷载模拟曲线：（1)正弦曲线：（2)半正弦曲线：（3)国际桥梁及结构工程协会（IABSE）中建议的 步行荷载曲线.
本文分析时主要采用IABSE中步行荷载曲线，如图4所示.
该图中，行人质量按ISO标准
第二十三届全国高层建筑结构学术会议论文 2014年 建议取为75kg，步频按结构竖向振动一阶周期调至2.3Hz.
结构分析时，将步频按激励频率比做调整，以 考虑不同频率下的减振效果.
人行荷载激励 - 2. 3k 0.4 0 5 时间（s） 10 15 20 图4人行激励荷载时程 对于人行荷载模式，各国学者有不同的研究结果，楼板在人群激励下的响应是非常复杂的自然现象， 它既包括人在空间上随机分布、步行荷载在时间上的随机分布，还包括步行激励的“自主同步”现象.
本 分析报告参考ISO标准，将人行荷载均布于桥面板上，人群密度取1人/n，同步率取为20%.
3.2舒适度评价标准（ 为了避免行人感到不适，各国规范或设计标准规定了加速度允许值，目前国内还没有统一的舒适度评 价指标，但是各国规范和设计标准中有很多类似指标，如：Diekmann指标、欧洲ECCS规范指标，ISO10137 规范指标和我国列车车体加速度指标.
其中以英国BSI提出的舒适度评价方法最为简单易行，BSI规定的 舒适度最大加速度允许值可以表达为： 3.3原结构舒适度验算 本工程人行荷载频率分别采用1.7～3.0Hz进行计算分析，在人行荷载激励下，竖向位移产生明显放 大效应，特别在2.3Hz时放大效应最为明显，此时加速度也最大，取跨中加速度反应最大的两个点作为参 考点（节点16，17），经计算当人行激励荷载同钢桥第一竖向频率相同时，节点16和节点17的最大加速 度值为1.186m/s和1.196m/s.
可以看出本工程人行荷载激励下的加速度峰值不满足上述限值要求.
由于 人行荷载激励频率与钢连桥自振频率接近引起共振，从结构长期效应来看，会使钢结构的焊缝处在较大的 疲劳荷载下引起损坏，危害结构安全.
因此，需要采用一定技术手段，控制桥面板振动，减小桥面竖向加 速度，使该结构能够保证安全和满足舒适性的要求.
4结构减振设计 由该结构的特点，如采用加大桥梁刚度，提高结构竖向频率的办法使其满足舒适性要求，将会增加大 量钢材，经济上不合理，且过大的增加了桥梁自重荷载.
调谐质量阻尼器（TMD）由质量块，弹簧与阻尼系统组成.
当结构在外激励作用下产生振动时，带动 TMD系统一起振动，TMD系统产生的惯性力反作用到结构上，调谐这个惯性力，使其对主结构的振动产生 调谐作用，即调整TMD自身频率与主体结构的频率接近，从面达到减小结构振动反应的目的.
人行荷载属 于窄带随机过程，且有同步效应，对这类激励荷载，TMD系统具有良好的控制效果.
且TMD成本低、装卸 简便.
目前已有不少采用TMD技术进行桥梁、楼板舒适度控制的工程案例，实践证明TMD技术减振效果良 好.
第二十三届全国高层建筑结构学术会议论文 2014年 综上所述，采用TMD技术进行楼板舒适度的控制，将取得良好的经济、技术效益.
4.1TMD布置方案及设计参数 本方案在结构共上布置了8个TMD，每个4吨，TMD总质量为32吨.
采用SAP2000进行模拟计算，TMD 采用集中质量模拟，并通过Link单元进行模拟，TMD的平面布置图与立面布置图如图5所示： TMD TMD 图5TMD系统布置简图 表1TMD设计参数 名称 TMD质量（t） TMD弹簧总 TMD阻尼系数 TMD 调频 刚度KN/m KN. s/m 频率（Hz） 数量 TMD1 4 820 9.16 2.3 8 4.2计算分析结果 在同原结构自振频率相同（2.3Hz）的人行荷载激励下TMD减振和原结构加速度时程对比，如图6、7 所示：从图中可以看出在2.3Hz人行荷载激励下，TMD减振效果很明显，结构附加TMD后节点16和17加 速度峰值分别由原来的1.186m/s²和1.196m/s²减小为0.3120m/s²和0.3135m/s²，减振达73.8%，减振效 果显著.
节点6加速度 1.5 TMD减报 时间[(s) 图6TMD减振和原结构加速度时程对比（节点16）
第二十三届全国高层建筑结构学术会议论文 2014年 节点17加速度 TMD减报 原模型 时网(x) 图7TMD减振和原结构加速度时程对比（节点17） TMD减振与原结构加速度峰值对比 1. 4 1.2 →原结构→TMD减报 0.8 0.6 峰 速 0.2 0 1.7 1. 9 2.1 2.3 2.5 2.7 2.9 频率（Hz) 图8各频率区段TMD减振与原结构加速度峰值对比 为了说明TMD系统在各频率区间减振效果，本文列出频率为1.7～3.0Hz人行荷载激励下，TMD减振模 型和原结构加速度峰值对比，如图8所示，从图中可以看出，在1.7~3.0Hz频率区段，附加TMD结构加 速度峰值均减小，特别在2.1~2.6Hz区域减振效果最显著.
5结论 1.结构竖向振动基本频率为2.3Hz，低于3Hz，不满足规范要求： 2.人行激励下，原结构楼板竖向加速度达到1.196m/s²，不满足舒适度要求：设置TMD后，人行激励 下，结构楼板竖向加速度最大值减小至0.3349m/s²，小于规范要求，满足舒适度要求.
3.本工程采用TMD减振能够有效减小人行荷载激励下结构加速度反应.
参考文献 [1]高层建筑混凝土结构技术规程（JGJ3-2010）[S].北京：中国建筑工业出版社，2011 [2]陈政清，华旭刚编著.人行桥的振动与动力设计[M].北京：人民交通出版社，2009.
