摘 要：隨著社會(huì)進(jìn)步，輕質(zhì)、大跨度人行橋越來(lái)越多，其低頻、低阻尼的動(dòng)力特性更容易遭受人致荷載的影響，引發(fā)舒適度等振動(dòng)問(wèn)題。為了更好地精準(zhǔn)評(píng)估結(jié)構(gòu)舒適度，系統(tǒng)研究人-結(jié)構(gòu)在耦合系統(tǒng)中的相互作用，認(rèn)為以M-SD模型來(lái)模擬真實(shí)行人具備一定可信度。作為人行橋振動(dòng)控制常見(jiàn)被動(dòng)減振裝置TMD，從阻尼元件性能提升和質(zhì)量元件效應(yīng)放大等方面不斷進(jìn)行改良并取得了一定的成績(jī)。

　　關(guān)鍵詞：動(dòng)力特性;舒適度評(píng)估;TMD性能提升

　　1 人行橋發(fā)展趨勢(shì)

　　近年來(lái)，社會(huì)經(jīng)濟(jì)迅速發(fā)展，新型輕質(zhì)高強(qiáng)建筑材料的質(zhì)量和建造水平逐漸提高，現(xiàn)代化立體交通概念不斷推廣，建筑美學(xué)品位提升，使得大跨、纖細(xì)以及輕柔等特點(diǎn)正逐漸成為工程結(jié)構(gòu)發(fā)展方向[1]。由于城市發(fā)展和車道拓寬及人行安全的需要，越來(lái)越多的大跨度人行橋出現(xiàn)在人群視野中。剛度較低使得大跨度人行橋在地震作用、風(fēng)致荷載以及人行荷載等動(dòng)力荷載作用下易產(chǎn)生振動(dòng)，引起疲勞性動(dòng)力損傷問(wèn)題。這不僅會(huì)縮短建筑結(jié)構(gòu)的使用壽命，而且可能導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的破壞性損傷，同時(shí)振動(dòng)直接作用于人體時(shí)會(huì)令人產(chǎn)生不適感，出現(xiàn)舒適度問(wèn)題。

　　輕質(zhì)、大跨等特點(diǎn)使得部分人行橋的一階豎向頻率為1.9～2.5 Hz[2]。已知人行走時(shí)活動(dòng)頻率為1.5～2.5 Hz，人行橋服役期橋面上行人運(yùn)動(dòng)狀態(tài)各異，當(dāng)人流較大且其人行荷載頻率等于或接近建筑結(jié)構(gòu)的固有頻率時(shí)，橋梁將會(huì)發(fā)生共振現(xiàn)象，導(dǎo)致橋面板產(chǎn)生較大幅度的振動(dòng)。這將對(duì)行人舒適度產(chǎn)生不良影響，甚至有可能引起人們的恐慌，同時(shí)豎向振動(dòng)過(guò)大也增加了結(jié)構(gòu)發(fā)生疲勞破壞的可能性，直接威脅行人的生命和財(cái)產(chǎn)安全。輕柔、大跨度人行橋由人致荷載引起的問(wèn)題在實(shí)際中不可忽視，這類結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)過(guò)程中若不考慮正常使用期間可能出現(xiàn)的由人行荷載引發(fā)的振動(dòng)相關(guān)問(wèn)題，那么將可能造成無(wú)法預(yù)估的重大損失。

　　2 人行橋振動(dòng)研究發(fā)展方向

　　人體作為人行橋振動(dòng)的主要來(lái)源，也是人行橋振動(dòng)的感受體，會(huì)根據(jù)環(huán)境振動(dòng)情況與人行橋本體產(chǎn)生耦合振動(dòng)，作為人行橋振動(dòng)舒適度評(píng)估領(lǐng)域的重要課題之一，已經(jīng)受到越來(lái)越多研究學(xué)者的關(guān)注，人-橋之間存在的明顯相互作用也是當(dāng)下亟待闡明的問(wèn)題之一，由于人體是一個(gè)復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)，除了個(gè)體的生理區(qū)別外，人類在橋面上的不同活動(dòng)和行為均會(huì)對(duì)人行橋的動(dòng)力特性產(chǎn)生不同程度的影響。以常見(jiàn)的駐留狀態(tài)與行走狀態(tài)為例，現(xiàn)有設(shè)計(jì)往往是用等重質(zhì)量塊來(lái)模擬駐留人，用施加在表面的移動(dòng)步行荷載來(lái)代替行人，這種做法忽略了人-結(jié)構(gòu)相互作用，無(wú)法真實(shí)表現(xiàn)出人-結(jié)構(gòu)耦合振動(dòng)的影響，不利于精準(zhǔn)預(yù)測(cè)動(dòng)力響應(yīng)。

　　我國(guó)學(xué)者在此方面進(jìn)行了大量的理論研究及實(shí)驗(yàn)，旨在揭示人-結(jié)構(gòu)相互作用的本質(zhì)。李利紅等[3]從理論和試驗(yàn)兩方面研究人-橋豎向相互作用效應(yīng)，推導(dǎo)了行人動(dòng)力學(xué)模型的平衡控制方法，認(rèn)為人-橋相互作用在系統(tǒng)模態(tài)質(zhì)量方面附加質(zhì)量貢獻(xiàn)率為100%，附加阻尼貢獻(xiàn)與結(jié)構(gòu)振動(dòng)頻率無(wú)關(guān)。劉隆等[4]以簡(jiǎn)支歐拉梁為研究對(duì)象，討論了無(wú)阻尼彈性質(zhì)量和有阻尼彈性質(zhì)量?jī)煞N方法模擬均布人群對(duì)其動(dòng)力特性的影響。張夢(mèng)詩(shī)等[5]利用數(shù)值模擬的方式對(duì)行人MD及SMD模型在人-結(jié)構(gòu)相互作用中進(jìn)行了分析，解釋了MD模型的局限性。王彩鋒等[6]針對(duì)彈簧-質(zhì)量-阻尼器模擬行人時(shí)模型參數(shù)的隨機(jī)性論述了該參數(shù)變化對(duì)于人群-結(jié)構(gòu)耦合動(dòng)力特性的影響。汪志昊等[7]則通過(guò)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)對(duì)比分析3種靜立人體模型的單人-簡(jiǎn)支梁耦合系統(tǒng)豎向動(dòng)力特性，驗(yàn)證了M-SD模型具有較高計(jì)算精度，具備較高的適用性。

　　3 人行橋振動(dòng)控制現(xiàn)狀

　　為了解決過(guò)大的振動(dòng)使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生疲勞損壞導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)性破壞等問(wèn)題，往往通過(guò)改變結(jié)構(gòu)的自身頻率來(lái)避免共振的出現(xiàn)或采用減振裝置減小結(jié)構(gòu)的振動(dòng)[8]。結(jié)構(gòu)自身頻率的變化可通過(guò)增大截面或者改變結(jié)構(gòu)形式等途徑來(lái)實(shí)現(xiàn)，但此類方法實(shí)際效果有限，并且在改造工程中牽連較多、造價(jià)昂貴。安裝合適的被動(dòng)控制系統(tǒng)可以改變整體結(jié)構(gòu)系統(tǒng)特性，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)的振動(dòng)控制。被動(dòng)控制系統(tǒng)不需要任何外部能量，消除了災(zāi)難性事件期間能量故障的風(fēng)險(xiǎn)，又因被動(dòng)控制系統(tǒng)具備裝置構(gòu)造簡(jiǎn)單、價(jià)格便宜以及性能可靠等特點(diǎn)，所以在橋梁振動(dòng)控制領(lǐng)域中得到廣泛應(yīng)用。而調(diào)諧質(zhì)量阻尼器(Tuned Mass Damper，TMD)作為傳統(tǒng)被動(dòng)振動(dòng)控制裝置更為常見(jiàn)。

　　調(diào)諧質(zhì)量阻尼器由附加質(zhì)量塊、彈簧及阻尼器組成，其中附加質(zhì)量塊通過(guò)彈簧和阻尼器連接到受控主結(jié)構(gòu)。調(diào)整調(diào)諧質(zhì)量阻尼器的質(zhì)量和彈簧剛度，使得附加TMD的固有頻率與受控主結(jié)構(gòu)的控制頻率相一致。在強(qiáng)迫運(yùn)動(dòng)下，質(zhì)量塊運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生并傳遞抵抗受控主結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的慣性力，利用慣性力使得主結(jié)構(gòu)振動(dòng)響應(yīng)的降低。

　　關(guān)于調(diào)諧質(zhì)量阻尼器，海內(nèi)外都存在成功應(yīng)用的案例，如圖1所示。英國(guó)倫敦的千禧橋報(bào)道了在觀光游客走動(dòng)時(shí)，橋梁發(fā)生了大幅度的擺動(dòng)，人體震感明顯。通過(guò)對(duì)千禧橋的檢查和分析，工程技術(shù)人員發(fā)現(xiàn)產(chǎn)生搖晃的原因是游客步伐頻率接近橋的固有頻率，導(dǎo)致橋梁產(chǎn)生共振，出現(xiàn)大幅的振動(dòng)。最終，工程人員通過(guò)在橋梁的側(cè)向和豎向安裝調(diào)諧質(zhì)量阻尼器成功解決了此問(wèn)題。我國(guó)張家界鋼玻璃人行橋在設(shè)計(jì)之初便考慮到人致荷載及環(huán)境風(fēng)荷載可能帶來(lái)的振動(dòng)問(wèn)題。首次將電渦流調(diào)諧質(zhì)量阻尼器應(yīng)用于鋼玻璃人行橋，解決了該橋因跨度大和頻率低的特點(diǎn)帶來(lái)的振動(dòng)控制問(wèn)題，滿足了振動(dòng)控制要求，保留了原始的美觀造型，也降低了整體工程造價(jià)。

　　4 TMD裝置性能提升及探索

　　當(dāng)TMD偏離設(shè)計(jì)控制頻率較大時(shí)，TMD的減振效果下降明顯。為解決這個(gè)問(wèn)題，通常采用提高裝置阻尼安全儲(chǔ)備[1]或者加重質(zhì)量塊的辦法保障效果的穩(wěn)定性。提高TMD阻尼性能方面，傳統(tǒng)TMD主要采用桿式液體黏滯阻尼器，其黏滯阻尼元件存在漏油風(fēng)險(xiǎn)、養(yǎng)護(hù)困難、阻尼系數(shù)易受溫度影響等問(wèn)題。為解決此類阻尼器問(wèn)題，人們研發(fā)了一種電渦流阻尼元件，其與摩擦阻尼、黏滯液體阻尼等常見(jiàn)的傳統(tǒng)被動(dòng)耗能減振阻尼元件相比，電渦流阻尼的產(chǎn)生不依賴于摩擦，也沒(méi)有工作流體，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠性高、耐久性好以及阻尼系數(shù)易調(diào)節(jié)等優(yōu)點(diǎn)[9]。電渦流阻尼技術(shù)根據(jù)電磁感定律將物體運(yùn)動(dòng)的機(jī)械能轉(zhuǎn)化為導(dǎo)體板中的電能，然后通過(guò)導(dǎo)體板的電阻效應(yīng)耗散系統(tǒng)的振動(dòng)能量。電渦流TMD實(shí)現(xiàn)了TMD剛度與阻尼的完全分離，便于后期維護(hù)。

　　提高TMD質(zhì)量效應(yīng)方面，杠桿式調(diào)諧質(zhì)量阻尼器(Lever-Type Active Tuned Mass Damper，LT-TMD)及慣容阻尼器技術(shù)日漸成熟。王中文等[10]提出了一種杠桿式TMD的設(shè)計(jì)構(gòu)型，并應(yīng)用于懸臂施工階段的某橋梁，評(píng)估了其抵抗風(fēng)致振動(dòng)的減振效果。李春祥等探討了LT-TMD的動(dòng)力特性，通過(guò)支撐的位置可有效限制彈簧的靜壓縮量，同時(shí)保持其控制的有效性，并在此基礎(chǔ)上闡述了LT-TMD及LT-ATMD的控制新策略[11-12]。郭翠翠等[13]則在斜拉索減振控制方面完成了杠桿式阻尼器的工程實(shí)踐，針對(duì)斜拉索同時(shí)存在面內(nèi)和面外的振動(dòng)問(wèn)題痛點(diǎn)，基于杠桿原理綜合黏彈性等多種阻尼元件實(shí)現(xiàn)斜拉索面內(nèi)、面外的有效抑制，且橋面安裝方便快捷，景觀效果好。

　　郜輝等[14]引入了一種慣性元件“Inerter”，其機(jī)構(gòu)由一個(gè)具有兩端節(jié)點(diǎn)的線性機(jī)械裝置組成。“Inerter”通過(guò)滾珠絲杠或齒輪齒條等直線-旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換傳動(dòng)機(jī)構(gòu)將端點(diǎn)相對(duì)軸向運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為慣性飛輪的高速旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，增大慣性力效應(yīng)。該慣性力可產(chǎn)生遠(yuǎn)大于自身實(shí)際物理質(zhì)量的慣性(虛)質(zhì)量，顯著增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的振動(dòng)控制效果。2013年，MARIAN等[15]利用慣性質(zhì)量放大效應(yīng)，提出了一種新設(shè)計(jì)構(gòu)想，即所謂的調(diào)諧質(zhì)量阻尼慣容器，來(lái)增加傳統(tǒng)的TMD質(zhì)量效應(yīng)。基于慣性質(zhì)量的研發(fā)阻尼器還有調(diào)諧黏性質(zhì)量阻尼器(Tuned viscous mass damper，TVMD)、調(diào)諧慣容阻尼器(Tuned Inerter Damper，TID)以及調(diào)諧質(zhì)量阻尼慣容器(Tuned Mass-Damper–Inerter，TMDI)等形式。

　　5 結(jié)論

　　隨著社會(huì)進(jìn)步和經(jīng)濟(jì)發(fā)展，人行橋輕質(zhì)、大跨的工程結(jié)構(gòu)特點(diǎn)越來(lái)越明顯，低頻、低阻尼的動(dòng)力特點(diǎn)使得其在正常服役期間更容易遭受由人類活動(dòng)引起的共振，產(chǎn)生舒適度等不良問(wèn)題。研究人與結(jié)構(gòu)之間存在的相互作用對(duì)舒適度精準(zhǔn)評(píng)估有積極作用，目前普遍認(rèn)為M-SD模型模擬行人具備一定的可信度和適用性。作為人行橋振動(dòng)控制常見(jiàn)被動(dòng)減振裝置TMD，從阻尼元件性能提升和質(zhì)量元件效應(yīng)放大等方面不斷進(jìn)行改良并取得了一定的成績(jī)。

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