基于青岛世界博览城钢连桥TMD系统的设计与测试

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随着科技的高速发展,高性能材料的研发更新迭代,建筑结构向着大跨度、质量小、结构形式复杂方向发展。因此结构常常会出现因为人行荷载的原因导致结构发生共振,造成行人恐慌,更严重者可使结构发生破坏,造成国民经济财产损失,因此需寻求合理办法解决相关问题。在桥梁减振的相关研究中,作为现有较为完善的减振控制系统,调频质量阻尼器(Tuned Mass Damper,TMD)受到了研究者们的广泛研究。本文以青岛世界博览城31.56m室内钢连桥为工程背景,根据本工程相关特点,通过研究既有的人行荷载模型以及人行荷载对人行天桥的影响,选择合适的连续步行荷载模型作为本研究的人行荷载模型;基于国际上传统Den Hartog TMD参数设计方法,在对天桥动力特性进行分析的基础上,建立结构有限元模型;为考察不同TMD放置位置以及TMD个数不同时系统的减振效果,定义了12种工况;基于目前国内建筑楼盖结构振动舒适度,对正常使用时可能出现的各种人行荷载分别进行自振频率、加速度时程、速度时程、位移时程关系的数值计算分析;根据后续现场工程实测数据分析优化前后的TMD系统对桥梁的减振效果,并总结出最优方案。本文主要开展了以下工作:首先,通过对两种经典模型(傅里叶级数模型和基于时频变换的随机振动人行荷载模型)进行理论分析,明晰模型的适用范围及各自局限性,基于此建立本文采用的人行荷载模型。对TMD减振原理进行分析,从而为数值计算奠定相应的理论基础;此外,详细地阐述了TMD的设计基本原理,以此为接下来的时程动力分析提供计算依据。其次,采用传统TMD设计方法,设计了多组TMD元器件,采用不同布置位置,对不同质量工况进行数值计算分析。在Midas/GEN中加载TMD模型,步行频率分别为1.6 Hz、2.0 Hz、2.35 Hz、2.5 Hz,通过加载12种不同人行荷载工况计算分析不同布置位置、不同质量下TMD布置系统,开展人行桥减振后的响应研究以及对各组工况下的计算结果进行舒适度评价。通过分析发现根据本文设计的减振方案,加速度峰值减振率最大为72.63%;减振后,加速度峰值最大为421.55mm/s~2,小于500 mm/s~2,满足我国建筑楼盖结构舒适度要求。最后,对现场实际工程进行动力测试,设置多种测试工况,基于不同的测试工况开展优化措施存在与否时TMD系统在桥梁减振上的性能对比分析,分析结果表明TMD安装后,桥面减振效果明显,并且在行人跳动的情况下也能够明显地起到减振效果,安装TMD系统后提高了桥面的舒适度,从而满足了规范要求的不封闭连廊和室外天桥振动峰值加速度不应大于500mm/s~2限值。本论文基于青岛世界博览城31.56m室内钢连桥设计的TMD系统具有一定的有效性和可靠性,在大跨钢连桥类似工程的减振设计方面具有一定的参考价值。
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