調諧質量阻尼器(TMD)在鋼結構人行天橋維修中的應用研究

□□ 原國華(山西省交通科學研究院，山西 太原030006)

摘要：主要對某鋼結構人行天橋的主要病害進行了分析，提出了一種在箱梁內部安裝調頻質量阻尼器(TMD)的新技術。箱梁改造后進行了加固效果分析，結果表明安裝調頻質量阻尼器(TMD)后大大降低了鋼箱梁共振效應，減少了行人的不安全感，保證了橋梁的安全運營和耐久性能。

關鍵詞：鋼箱梁；病害；調頻質量阻尼器

文章編號：1009-9441(2015)02-0021-03

中圖分類號：TU 352.1

文獻標識碼：B

作者簡介：原國華(1981-)，男，山西河津人，工程師，碩士，2005年7月畢業(yè)于太原理工大學土木工程專業(yè)，2008年6月碩士研究生畢業(yè)于蘭州理工大學結構工程專業(yè)，從事橋梁隧道工程管理工作。

收稿日期：2015-03-10

引言

某鋼結構人行天橋橋身呈半圓形，半徑38.0 m，橋寬3.8 m，橋長123.3 m，主梁為3跨連續(xù)鋼箱梁，跨徑組合為：37.6 m+44.1 m+37.6 m，橋臺處各加長2.0 m的懸臂。鋼箱梁高1.122 m，頂板寬3.8 m，底寬1.8 m，梁下采用橡膠支座，下部結構橋臺為矩形截面Y形立柱，橋墩均為圓形獨柱，均采用鋼筋混凝土擴大基礎。

該橋修建于1988年，設計人群荷載為4 kN/m2，全橋人行梯道4處，位于各墩臺處，由預制鋼筋混凝土踏板現(xiàn)場拼裝組成，天橋平面圖見圖1。2009年對該橋進行了全面檢測和脈動試驗，檢測結果及試驗數(shù)據(jù)表明需對該天橋進行耐久性處理，降低橋梁共振效應。

圖1　天橋平面圖

1橋梁的主要病害

檢測單位對該橋進行了全面檢測和脈動試驗，檢測結論為：該鋼結構天橋鋼箱梁前三階自振頻率為1.623 Hz，2.337 Hz和2.984 Hz，前三階頻率均不能滿足CJJ 69—95《城市人行天橋與人行地道技術規(guī)范》的要求。

為了減少行人的不安全感，避免橋梁共振，鋼箱梁豎向自振頻率應≮3 Hz，根據(jù)檢測數(shù)據(jù)判斷，該天橋鋼箱梁豎向剛度較低，行人行走過程中易激發(fā)共振。另外，行人在橋上行走過程中，感覺到橋有些晃動，存在較大的安全隱患。

2該橋共振的危害及解決措施

該橋采用鋼箱主梁和鋼筋混凝土橋面鋪裝，根據(jù)檢測報告，該橋主梁存在共振問題。按照設計的分析計算，在充分考慮通行的行人荷載時該橋的跨中振幅為3.9 mm，安裝調頻質量阻尼器(TMD)[1]后的振幅可減小到2 mm。

在項目設計過程中，曾對該橋的實際振幅進行過測量，因當天天氣寒冷，每跨的通行人數(shù)平均為15人左右，測得的實際最大振幅為1.5 mm左右，依此推算該橋的實際剛度小于理論分析計算的剛度，即橋梁的共振引起的震動幅度>3.9 mm，這與橋梁的施工質量有很大關系。

2.1　主梁振幅較大對橋梁造成的隱患

(1)行人通過時會產生不安全感，長時間在橋上站立時會產生眩暈感。

(2)主梁的實際變形大于理論計算值，無形中增大了主梁材料的應力值，在長期的反復作用下，容易引起鋼材本身和焊接部位的疲勞破壞。

(3)橋面混凝土鋪裝層和混凝土護欄底座在存在較大變形的情況下容易出現(xiàn)裂縫和破損，影響了橋梁的耐久性能和排水性能。

2.2　解決方案的選擇

在橋梁頻率與人行頻率接近出現(xiàn)共振時，其解決辦法可以分為調整策動力頻率、結構固有頻率和振幅等3種方法。

(1)調整策動力頻率即調整行人步伐，不可能實現(xiàn)。

(2)調增結構固有頻率可采用的方法是增高主梁的截面高度或減小主梁的跨徑。通過增加橋墩的方法提高主梁剛度需占用橋下道路，無法實現(xiàn)。如果采用增大主梁截面高度或設置斜拉方式提高主梁剛度，無論是從對交通等造成的影響考慮，還是從造價考慮，均與新建1座橋梁相當，其經(jīng)濟效益和社會效益低。

(3)調整振幅的方法，即本次設計采用的通過安裝調頻質量阻尼器(TMD)來降低振幅、減小共振效應的方法。

2.3　調頻質量阻尼器(TMD)的工作機理

調頻質量阻尼器(TMD)是近年來發(fā)展起來的結構被動控制系統(tǒng)，利用結構共振原理，通過調整TMD系統(tǒng)與主體結構的質量比、頻率比和TMD系統(tǒng)的阻尼比等參數(shù)，促使系統(tǒng)吸收更多的振動能量，從而達到減輕主體結構的振動響應的目的。

TMD系統(tǒng)由3部分組成，分別為彈簧、阻尼器和質量塊，在天橋主梁的跨中附近安裝TMD，在外激勵作用下主梁產生振動時，帶動TMD系統(tǒng)一起振動，TMD系統(tǒng)相對運動產生的慣性力反作用于結構上，調諧這個慣性力，使其對結構的振動產生限制作用，從而達到減小主梁振動響應的目的。

2.4　調頻質量阻尼器(TMD)的結構組成

調頻質量阻尼器(TMD)的結構組成見圖2。

圖2　調頻質量阻尼器(TMD)實物圖

本項目采用的阻尼器為北京奇太振控科技有限公司組裝的產品，該產品除粘滯阻尼器部分由美國Taylor公司生產外，其余為國內生產。粘滯阻尼器的設計使用壽命為30年，為該套阻尼器的關鍵構件；其余部分的使用壽命與橋梁使用年限相同。

2.5箱梁內調頻質量阻尼器(TMD)的布置[2]

鋼箱梁結構豎向一階自振頻率為1.623 Hz，與行人激振區(qū)間相近或接近。為了降低橋梁發(fā)生共振或準共振時的動力響應，避免振動位移超限，在全橋各跨跨中附近各安裝4組TMD系統(tǒng)，合計共12組TMD系統(tǒng)，TMD的布置見圖3。

圖3　調頻質量阻尼器(TMD)布置圖

另外，在設計過程中，對本橋安裝的阻尼器除了進行振動分析外，還進行了承載能力計算，在有效減小共振效應的情況下，也滿足承載能力的要求。

在調頻質量阻尼器(TMD)安裝完成后，委托第三方檢測單位對該橋的動力性能(頻率、振幅和動力加速度)進行檢測，以確保阻尼器的安裝效果。

3調頻質量阻尼器(TMD)的加固效果

3.1　測試內容

橋梁安裝調頻質量阻尼器(TMD)后檢驗其舒適性狀況，需對鋼結構人行天橋在正常使用狀態(tài)下的豎向加速度進行測試。

3.2　測試方法

依據(jù)人行天橋的結構形式和受力特點，確定每跨跨中位置為振動的最大點。在每跨跨中位置布置加速度傳感器，采集行人從該跨起點行走到該跨終點的時程數(shù)據(jù)，然后判斷該橋各跨的振動情況。

3.3　測試儀器

(1)分析軟件：“Vib'SYS振動信號采集、處理和分析”軟件。

(2)采集儀：型號WS-5921/U60216-C8，其技術參數(shù)為：分辨率：16位；采樣頻率：200 kHz；采集通道：16路；測量量程：±10 V；增益：1、2、4、8、16。

(3)傳感器：型號KD12000L，其性能指標見表1。

3.4　測試程序

在鋼結構天橋跨中布置加速度傳感器，然后分3次進行測試。組織人員從該跨的起點按正常行走的速度步行到該跨終點，同時進行數(shù)據(jù)采集。

表1　傳感器的性能指標

在測試過程中，行人必須按照統(tǒng)一的步調行進，測試結束后對橋梁在無行人時各跨的振動情況也進行了檢測，然后進行對比分析。

3.5　測試結論

測試結束后，對測試報告進行分析，得出振動響應數(shù)值在可接受的范圍內。由于缺少橋梁加固前的加速度對比數(shù)據(jù)，因而無法定量地分析減震效果。從與最初的模型分析結果的比較來看，在人行荷載作用下，鋼箱梁天橋各跨的加速度均在0.65 m/s2左右，從數(shù)據(jù)分析判斷出調頻質量阻尼器(TMD)的減震效果明顯，減震幅度在50%左右。

4結語

對于鋼結構天橋維修中主梁存在的振動問題，可以通過安裝調頻質量阻尼器(TMD)的方法得到有效解決，以達到減少鋼箱梁的動力響應，消除通行人群的不安全感，并降低橋上混凝土構件破損的概率，從而增強橋梁的耐久性能。

參考文獻：

[1] 張耀庭，劉再華.新型調諧質量阻尼器(TMD)的實用性與可行性研究[J].巖土工程學報，1998，20(6)：57-61.

[2] 郭殿軍.某人行天橋病害分析及加固措施[J].山西交通科技，2011(6)：54-56.

(編輯盛晉生)