人行桥人致振动分析与振动控制研究

来源 :武汉理工大学 | 被引量 : 1次 | 上传用户:fred20099
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近年来,随着人行桥领域轻质高强材料的广泛应用、结构设计施工水平的不断提高以及对人行桥本身功能需求的多样化,此类结构向着轻柔、大跨方向发展,频率也随之不断降低。当结构频率接近甚至落入到人行荷载作用的频带内时,结构在人行荷载作用下可能会产生类似共振的现象,引发大幅结构振动,从而导致舒适性甚至安全性问题。因此,必须在设计阶段对轻柔大跨人行桥的人致振动问题予以分析,必要时采取一定的振动控制措施。对于大跨轻柔结构的人致振动分析而言,人-结构相互作用的合理表征是一个重要环节,然而目前,由于缺乏对这种相互作用效应深层次的认识,在结构响应计算时往往将其忽略,从而影响到了计算结果的可靠性。此外,在大跨人行桥的人致振动控制领域,目前针对调谐质量阻尼器(TMD)的研究多为数值模拟,而其实际制造精度、安装水平等都将对减振效果产生影响,甚至导致其无法发挥作用,因此亟需通过现场实验对TMD系统的减振效果及影响因素进行分析。针对上述问题,本文以大跨人行桥为研究对象,主要进行了如下工作:(1)建立了人-桥竖向相互作用系统的运动方程,提出了考虑步频主、亚谐分量的单人步行力模型,开展了多种工况下的行人过桥实验,考察了人体步频亚谐分量对结构响应的影响,并对人-结构竖向相互作用的影响因素进行了分析。(2)建立了人-桥-TMD竖向耦合系统的运动方程,开展实验验证了模型有效性,并基于此从TMD和结构两方面分析了各项技术参数及结构性能变化对TMD减振效率的影响。(3)对实验人行桥进行了模态识别,结合识别结果对其进行了减振设计,并对相应的TMD系统进行了性能评估。在此基础上,于实验人行桥上开展了TMD减振前后多工况行人过桥测试,并据此对TMD的减振效果进行了评价。通过上述工作主要得出了以下几点结论:(1)人体于轻质低阻尼结构上行走时,步频亚谐分量表现较为明显;当行人过桥时,不仅步频主谐分量与结构的基频相近会引起较大的结构响应,亚谐分量与基频相近也会导致同样的结果,因此在结构设计时,在步频主谐分量以外,应同时考虑到人体步频亚谐分量,避免其与结构基频接近从而导致振动过大;(2)人/结构质量比和结构固有频率均会对人-结构竖向相互作用产生较大影响。当结构频率与步频及倍频分量接近时,耦合效应最显著。结构频率越大,人-结构竖向相互作用就越弱。随着人/结构质量比的增加,人-结构相互作用逐渐增强。(3)对于轻质低阻尼结构来说,TMD系统的减振效果与人体行走步频密切相关。人体步频亚谐与结构基频相近会导致较大的结构响应,且以一阶模态响应为主,此时针对该阶模态进行设计的TMD系统发挥了良好的振动控制作用。
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