大跨异型钢结构人行桥模态参数识别与人致振动控制

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由当今人行桥的发展趋势可知,人行桥的设计建造不仅要满足行人通行需求,还需要满足结构体系新颖、外形优美轻柔、桥面视野开阔等新要求。这就使得如今的人行桥常常具备结构新、跨度大、质量轻、基频低、阻尼小等属性,为人致振动分析及减振优化带来了新课题、新挑战。本文以厦门山海健康步道人行桥为工程背景,开展了大跨度复杂体系钢结构人行桥模态参数识别、单人跳跃动力激振法阻尼识别、人致振动现场实测、人-桥-TMD耦合系统动力分析、永磁电涡流阻尼器工作性能及减振效率评估等工作。主要研究内容及成果概述如下:(1)进行了多座大跨度复杂体系钢结构人行桥模态参数识别。介绍了张弦梁人行桥(节点一桥)、曲线提篮拱人行桥(节点三桥)、高墩Z字形螺旋坡道人行桥(观音寺桥)的模态特征理论分析及试验实测的过程,对比分析了理论和实测差异性。对厦门山海健康步道大跨度复杂体系钢结构人行桥的敏感频率特征、阻尼特征等模态参数进行了汇总统计,各人行桥需要进行人致振动控制的敏感模态在5个以内,绝大多数为竖向敏感模态,仅节点二桥(主跨216.7m)存在2个侧向敏感模态。研究表明,厦门山海健康步道各人行桥是典型的轻柔钢结构人行桥,阻尼比极小,不同振幅下的阻尼比存在显著的非线性特征。扁平钢箱连续梁人行桥(节点一桥引桥,梁高0.7m)小振幅下(加速度峰值<0.2m/s~2)阻尼比只有0.1%,张弦梁人行桥(节点一桥)小振幅下阻尼比只有0.17%,即使在大振幅下(加速度峰值>1.0m/s~2),大部分桥梁的阻尼比也小于0.5%。建议对于轻柔钢结构人行桥,理论计算中的阻尼比取值应为0.1%至0.3%。(2)对单人跳跃动力激振阻尼识别方法进行了研究与应用。采用单人跳跃激振法对9座钢结构人行桥进行了有效的动力激振,部分桥梁被激发出大幅竖向振动,最大峰值加速度响应为3.05m/s~2。分析了不同振幅下的钢结构人行桥阻尼特性。对单人跳跃激振法的适用性、影响因素进行了分析,并以节点一桥为例,进行了理论与实测对比。研究表明,采用单人跳跃激励法,理论上能够对模态质量300t以内,模态阻尼比0.8%以内,模态频率1.2Hz至3.8Hz内的人行桥的竖向模态进行有效的动力激振,加速度响应峰值大于0.2m/s~2。(3)开展了考虑人-桥耦合效应的人致振动响应分析及影响因素分析。以节点一桥为例,进行了单个(小组)行人-桥梁耦合振动响应分析,并与德国EN03规范方法、中国GJJ-69-2017征求意见稿方法的计算结果进行了对比讨论。进一步的,分析了人-桥耦合系统瞬时模态参数变化及影响因素、人-桥系统耦合动力响应影响因素。研究表明,当人桥质量比为35%时,人行桥的瞬时模态频率下降7.9%,瞬时模态阻尼比提升5倍。研究表明,对于质量轻、基频低、阻尼小的钢结构人行桥或其他轻柔的人行桥,虽然人群作用可以大幅增加耦合系统阻尼比,但仍应该考虑不同人群密度下,行人对结构瞬时频率的影响,进而为TMD参数设计优化提供依据。(4)开展了张弦梁体系人行桥人致振动试验实测。对节点一桥开展了单个行人步行过桥、单个行人跑步过桥、小组行人步行过桥、小组行人跑步过桥试验。试验验证了单个(小组)行人-桥梁耦合计算方法的准确性,同时表明,对于纵坡较大的人行桥,有必要考虑步行力的竖向冲击作用,以及纵向步行力效应。(5)开展了考虑人-桥-TMD耦合效应的人致振动响应分析。以加装TMD后的节点一桥为例,分析了单人跳跃激振法的适用性,分析了小组行人-桥梁-TMD耦合动力作用下的人致振动响应,对TMD的减振效能进行评估。研究表明,采用小组行人-桥梁-TMD耦合动力分析方法,节点一桥前2阶竖向模态减振率为86.8%、79.2%,极端条件下的振动响应仍可满足EN03规范中CL2中度舒适性标准。(6)进行了人行桥永磁电涡流阻尼器工作性能及减振效率试验评估。以安装EC-TMD后的节点一桥为例,通过现场实测评估,分析了EC-TMD的平顺性、启动加速度、同步性、减振效率等各项工作指标。工程实践证明了EC-TMD的高可靠性、高灵敏度。
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