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TMD减振技术在人行天桥中的应用

       随着城市的发展,人行天桥越来越多地应用于比较宽阔的街道行人过街需要,这些人行天桥通常跨度比较大,一般在40~50m左右,结构形式多为单跨简支梁,结构梁柱多采用箱梁。正常设计时第一阶自振频率和人正常行走的频率接近,容易产生共振,影响结构安全和正常使用,而且振动有可能超过人体舒适度极限,给行人心理上造成恐慌。如一味增加天桥刚度以避开共振频率,会极大的增加造价。而采用TMD来达到减少天桥振动反应将是一个既实用又经济的方法。


1、 调谐质量减振器的工作原理
调谐质量减振器(Tuned Mass Damper,简称TMD)是专门为细长、细高或大跨结构发展起来的一种减振系统。TMD减振是在原系统(主系统)上耦合一个单自由度的弹簧质量振动系统(附加系统),如图1所示。TMD系统一般支撑或悬挂在结构上,其对结构振动控制的机理是:当主结构在外部激励作用下产生振动时,带动TMD系统一起振动,TMD系统运动产生的惯性力再反作用到主结构上。如果调谐这个惯性力,使其与激励力的方向相反,则可与激励力抵消,使主结构的振动位移大大减小,达到控制主结构振动的目的。
   

图1 调谐质量减振器的原理图  图2单人2.2Hz步行2步激励示意图


2、人行激励模式及舒适度评价标准
       行人的行走可能产生垂直作用力、横向作用力以及扭转作用力。一般只考虑人行激励对桥面的竖向作用,忽略其产生的水平和扭转效应。人的行走激励可以当作一个周期的过程处理,通常把行走中某一侧足跟触地到该足跟再次触地称为该侧下肢的一个步态周期。在计算时采用的步行荷载工况一般为国际桥梁及结构工程协会(IABSE)所给定的连续步行荷载模式,如图2所示。
       根据有关资料,行人的行进频率大约在1~3Hz之间。而具体的行进速度受体质与当时具体情况的影响。在计算时可根据实际情况进行调整,如可以调整步行频率使其正好接近结构的某个固有频率,以研究结构的共振反应。
       人对楼板振动的反应是一个很复杂的现象,它与楼盖振动的大小和持续时间、人所处的环境、人自身的活动状态以及人的心理反应都有关系。楼盖振动对的影响一般可以用振动的峰值加速度来衡量。


表1提供了一般民用建筑设计时采用的楼盖振动加速度限值(根据国内外的相关参考资料)。

 

表1民用建筑楼盖振动加速度限制 人所处环境    楼盖振动加速度限制
办公、住宅、教堂 0.005g
商场 0.015g
室内天桥 0.015g
室外天桥 0.05g
仅有节奏性运动 0.04~0.07g

 
3、安装与调试
       因实际结构与计算模型之间有一定的差距,如完全按照计算结果来配置和生产TMD,往往会造成实际减振效果不好,一般在结构建好后用脉动法测试结构基本自振频率,以此作为TMD频率调试的基准频率。一般的测试过程如下:
(1)无控(即TMD锁死不起作用)情况下结构响应测试
       在人员跳跃激励下进行振动测试
       2人(如果2人跳跃可以将主结构激励成功的话,采用2人激励)或4人同时跳跃,测试结构振动加速度响应。并通过人员的主观感觉及振动加速度数值来评价舒适度。
       在步行激励下的振动测试
       10人同步从连桥一端走向另一端,测试楼面的振动加速度响应。并通过人员的主观感觉及振动加速度数值来评价舒适度。
(2)有控(即TMD起作用)情况下连廊结构响应测试
       使调谐质量减振器TMD处于释放状态,即让TMD起作用,按上述同样的方法测试主结构的振动加速度响应。
(3)TMD控制效果评价
       测试完成后对连廊安装TMD前后的舒适度以及减振效率进行评价。

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