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随着我国城镇化建设和旅游景区开发的推进,以玻璃桥面为代表的人行桥建设方兴未艾,且呈现出“刚度小、质量轻、阻尼低”的特点,结构外形也更加奇特。本文以两座典型的索支撑人行桥结构为对象,通过风洞试验和有限元分析研究了二者的风致与人致振动响应,并研究了常用的调谐质量减振器(TMD)的参数设计与优化方案。完成的主要工作和成果如下:
(1)通过气弹模型或节段模型风洞试验发现开槽变截面主梁单悬臂斜拉人行桥的颤振稳定性能极好,但是涡振性能特别差。9种工况下的颤振临界风速均大于104.4m/s,5种工况下都出现了一阶竖弯、一阶扭转及二阶竖弯涡激共振现象。采取透风式栏杆方案可消除各阶涡振。纵横钢框架玻璃桥面的人行悬索桥同时存在颤振和涡振(竖弯和扭转)的问题。安装30cm厚的风嘴后可将颤振临界风速提升到颤振检验风速以上,但仍不能消除涡激共振。
(2)基于德国人行桥设计指南和有限元分析可知单悬臂斜拉桥主梁各点人致振动加速度响应与振型位移呈正相关。随着时间的变化,加速度具有“先增大,后减小,之后趋于稳定”的规律。随着人群密度的增大,等效同步行人数呈非线性增长,加速度与之成正比。游客在端部聚集对其人致振动性能有利。人行悬索桥上对称布置的抗风缆可以减少竖向和侧向加速度超限的模态,增加侧向失稳临界人数。随着抗风缆水平张力的增大,侧向和竖向超限模态数几乎不变,侧向失稳临界人数会近乎线性增加,不过二阶竖向脚步荷载的响应会渐渐突出。非对称布置依然可提高竖向的行人舒适度,但是会导致侧弯和竖弯振动耦合,降低人行桥的侧向舒适度。
(3)依靠有限元分析或风洞试验可知,针对单悬臂斜拉桥二阶竖弯人致振动,二阶竖弯TMD的减振率有77.03%,同时布置三阶竖弯TMD时减振率仅增加0.26%。TMD减振率在振型驻点附近会降低约30%。布置各阶STMD之后,一阶竖弯、一阶扭转及二阶竖弯涡振减振效率依次达到了46%、47%和77%,涡振风速锁定区间不变,振幅最大值对应的风速值减小。
(4)结合单自由度共振理论可以发现,STMD在控制敏感频率密集的人行悬索桥人致振动时会顾此失彼。根据平均后的模态质量和超限的模态频率范围(1.5~2.1Hz),质量比和阻尼比分别取为0.01和0.061,可设计一套MTMD系统,将各阶模态的加速度峰值都降低到舒适度限值以下。将MTMD的频率范围向右平移0.1HZ后,减振效果没有明显的变化。如果把质量比减半,频率间距减小一半,TMD的个数增加一倍,减振效率会变高。
(1)通过气弹模型或节段模型风洞试验发现开槽变截面主梁单悬臂斜拉人行桥的颤振稳定性能极好,但是涡振性能特别差。9种工况下的颤振临界风速均大于104.4m/s,5种工况下都出现了一阶竖弯、一阶扭转及二阶竖弯涡激共振现象。采取透风式栏杆方案可消除各阶涡振。纵横钢框架玻璃桥面的人行悬索桥同时存在颤振和涡振(竖弯和扭转)的问题。安装30cm厚的风嘴后可将颤振临界风速提升到颤振检验风速以上,但仍不能消除涡激共振。
(2)基于德国人行桥设计指南和有限元分析可知单悬臂斜拉桥主梁各点人致振动加速度响应与振型位移呈正相关。随着时间的变化,加速度具有“先增大,后减小,之后趋于稳定”的规律。随着人群密度的增大,等效同步行人数呈非线性增长,加速度与之成正比。游客在端部聚集对其人致振动性能有利。人行悬索桥上对称布置的抗风缆可以减少竖向和侧向加速度超限的模态,增加侧向失稳临界人数。随着抗风缆水平张力的增大,侧向和竖向超限模态数几乎不变,侧向失稳临界人数会近乎线性增加,不过二阶竖向脚步荷载的响应会渐渐突出。非对称布置依然可提高竖向的行人舒适度,但是会导致侧弯和竖弯振动耦合,降低人行桥的侧向舒适度。
(3)依靠有限元分析或风洞试验可知,针对单悬臂斜拉桥二阶竖弯人致振动,二阶竖弯TMD的减振率有77.03%,同时布置三阶竖弯TMD时减振率仅增加0.26%。TMD减振率在振型驻点附近会降低约30%。布置各阶STMD之后,一阶竖弯、一阶扭转及二阶竖弯涡振减振效率依次达到了46%、47%和77%,涡振风速锁定区间不变,振幅最大值对应的风速值减小。
(4)结合单自由度共振理论可以发现,STMD在控制敏感频率密集的人行悬索桥人致振动时会顾此失彼。根据平均后的模态质量和超限的模态频率范围(1.5~2.1Hz),质量比和阻尼比分别取为0.01和0.061,可设计一套MTMD系统,将各阶模态的加速度峰值都降低到舒适度限值以下。将MTMD的频率范围向右平移0.1HZ后,减振效果没有明显的变化。如果把质量比减半,频率间距减小一半,TMD的个数增加一倍,减振效率会变高。