风—车—人群联合作用下浔江特大桥振动性能与舒适性评价_禹争华.pdf

第 20 卷 第 4 期2023 年 4 月铁道科学与工程学报Journal of Railway Science and EngineeringVolume 20 Number 4April 2023风车人群联合作用下浔江特大桥振动性能与舒适性评价禹争华，刘虹池(广西中交一公局平容高速公路有限公司，广西 贵港 537000)摘要：大跨钢箱梁斜拉桥具有频率低、阻尼小的特征，在风、车辆、人群等动力荷载作用下极易发生大幅振动，具有人行交通功能主梁的振动性能与舒适性评价是桥梁运营期普遍关注的问题。以在建的平容高速浔江特大桥(主跨636 m的大跨钢箱混合梁斜拉桥)为工程背景，通过桥梁动力响应时域理论分析，研究桥梁在风、车流、人群荷载联合作用下的振动性能、评价桥梁的振动舒适度，提出基于调谐质量阻尼器的舒适度提升措施。研究结果表明：1)在人群密度为1.5人/m2的人流荷载、4级道路服务水平等级交通流车辆荷载和5 m/s风速范围内脉动风荷载联合作用下，桥梁竖向加速度峰值小于1.0 m/s2，横向加速度峰值小于0.2 m/s2，满足EN03设计指南的CL2(中等)舒适度标准。当风速超过5 m/s时，风、车流、人群联合作用下的桥梁振动加速度峰值不满足中等舒适度标准。2)人致振动响应以2 Hz附近的竖弯模态为主，车致振动响应以低阶和高阶竖弯模态为主，风致振动响应以低阶竖弯、扭转和侧弯模态为主，根据风、车流、人群联合作用下的桥梁振动特征，提出采用调谐质量阻尼器提升第1阶竖弯模态和第1阶扭转模态阻尼比的减振措施，减振后桥梁在15 m/s风、车流、人群联合作用下，桥梁振动舒适性满足CL2标准。研究成果可为类似桥梁的振动舒适性评价和减振设计提供参考。关键词：钢箱混合梁；斜拉桥；风-车-人群联合作用；舒适性评价；调谐质量阻尼器中图分类号：U446.1 文献标志码：A 开放科学(资源服务)标识码(OSID)文章编号：1672-7029（2023）04-1425-08Vibration performance and comfort evaluation of Xunjiang cable-stayed bridges under combined action of wind-vehicle-pedestrian loadingsYU Zhenghua,LIU Hongchi(Guangxi CCCC First Highway Engineering Group Pingrong Expressway Co.,Ltd.,Guigang 537000,China)Abstract:Long-span cable-stayed bridges with steel box girdersfeature low frequency and small damping,and are prone to large-amplitude vibration under the combined action of dynamic loads such as wind,vehicles,and pedestrian.Hence,evaluating the vibration performance and comfort of main girders with pedestrian traffic function has become a common concern during bridge operation.The Xunjiang bridge(a cable-stayed bridge under construction with a hybrid box girder of a 636-mmain span)of Pingrong expressway was selected as the engineering project studied.The vibration performance and comfort of the bridge under the combined effects of wind,vehicles,and pedestrian were studied through theoretical analysis of bridge dynamic responses in time 收稿日期：2022-12-06基金项目：湖南省自然科学基金资助项目(2021JJ40208，2021JJ10003)通信作者：禹争华(1989)，男，湖南长沙人，高级工程师，从事道路与桥梁工程设计与施工技术管理研究；E-mail：DOI:10.19713/ki.43-1423/u.T20222315铁 道 科 学 与 工 程 学 报2023 年 4月domain,whereas the comfort improvement measures were proposed.Results indicated that:(1)under the combined action of pedestrian load(with a population density of 1.5 people/m2),traffic flow load(Class IV road service level)as well as fluctuating wind load(less than 5 m/s speed),the vertical peak acceleration of the bridge girder is less than 1.0 m/s2,and the peak lateral acceleration is less than 0.2 m/s2,which meets the comfort standard of CL2 level based on EN03 code;When the wind speed exceeds 5m/s,the peak acceleration of the bridge girder under the combined action of wind,vehicles and pedestrian does not meet the standard of CL2 level.(2)The human-induced vibration response is dominated by the modes with frequencies around 2 Hz,the vehicle-induced vibration response is dominated by both low-order and high-order vertical bending modes,while the wind-induced vibration response is dominated by the first-order vertical,torsion and lateral modes.According to the vibration characteristics of the bridge girder,a vibration reduction scheme using tuned mass damper(TMD)to enhance the damping of the first-order vertical bending and torsional modes was proposed.The vibration comfort of the bridge installed with TMD meets the CL2 standard under the combined action of wind with speed less than 15 m/s,vehicles,and pedestrian.This research provided a reference to the comfort evaluation and vibration reduction for similar bridges.Key words:hybrid box girder;cable-stayed bridge;combined action of wind,vehicles and pedestrian;comfort evaluation;TMD 随着建筑材料、建造技术和设计方法的不断进步，桥梁正朝着轻质、大跨、纤柔的方向发展。缆索承重桥梁是大跨桥梁最常用方案，具有质量轻、基频低、阻比小和振型复杂等特点，在风荷载、人群流、车流等动力荷载联合作用下，风致振动、车致振动和人致振动问题突出，振动舒适度评价和舒适度提升成为该类桥梁设计和运营阶段必须解决的问题。不同的外荷载，结构的振动形式不同。风荷载作用下，结构的振动类型包括颤振、涡振和抖振16。低风速下的颤振不仅威胁桥梁安全、也影响舒适性，如美国旧塔科马悬索桥，在破坏前长期发生大幅振动，严重影响桥上行车、行人舒适性。鹦鹉洲大桥涡激振动事件也引起了行车和行人舒适性问题。行人舒适性是桥梁涡振振幅限值的主要依据7。抖振是一种在自然脉动风作用下的随机振动，对于公路桥梁一般不控制设计。在车辆荷载作用下，桥面的不平顺以及移动的车辆重力均会引起桥梁的竖向振动。车辆本身就是一个振动系统，当车辆行驶于桥梁上时，车辆和桥梁组成一个耦合的动态振动系统，国内外对车桥耦合作用研究较为广泛811。在车辆荷载作用下，桥梁将产生较大的振动响应，影响行人舒适性。在人群荷载作用下，桥梁可能发生人致竖向共振1215，也可能诱发横向动力失稳1617。人致振动不仅在一系列轻质钢结构人行桥中发生1219，在一些大跨公路桥梁中，也出现过人致振动问题，比如武汉长江大桥、美国金门大桥、土耳其博斯普鲁斯海峡大桥等。因此，对于有人行通道的公路桥梁，确保桥梁在人群等动力荷载作用下的舒适性至关重要。在人群、车辆、风联合作用下，大跨桥梁的振动舒适性评价变得更为复杂，然而，目前，这方面开展的研究工作较少。在建的平容高速浔江特大桥为一座主跨636 m的大跨钢箱混合梁斜拉桥，兼有公路及大密度人群通行的功能，亟待解决大桥在风荷载、车辆及人群动力荷载作用下的振动舒适性问题。本文以浔江特大桥为工程背景，探讨结构的动力性能，开展风、车、人联合作用下的振动舒适性分析，研究振动舒适度提升措施。1 工程概况在建的平容高速浔江特大桥为钢箱混合梁斜拉桥，桥跨布置为54 m+56 m+80 m+636 m+80 m+56 m+54 m，立面图如图1所示。该桥梁边跨采用分离式双箱混凝土箱梁，中跨采用分离式双边箱的PK箱梁断面。索塔为H形混凝土塔。斜拉索采1426第 4 期禹争华，等：风车人群联合作用下浔江特大桥振动性能与舒适性评价用1 860 MPa平行钢丝斜拉索，全桥共152根斜拉索，最长337.638 m。在每个索塔和辅助墩处设置2个双向活动球型钢支座，过渡墩处设置一个双向活动支座和一个单向活动支座。主桥按整体式断面设置，桥面全宽35.5 m，路幅布置为：2.75 m(人非混行道)+0.5 m(风嘴)+1.5 m(拉索区)+0.5 m(防撞护栏)+3.0 m(紧急停车带)+23.75 m(车行道)+0.75 m(路缘带)+2.5 m(中央分隔带)+0.75 m(路缘带)+23.75 m(车行道)+3.0 m(紧急停车带)+0.5 m(防撞护栏)+1.5 m(拉索区)+0.5 m(风嘴)+2.75 m(人非混行道)=35.5 m，如图2所示。该桥梁不仅具有公路交通功能，还具有人行通道功能，因此，动力荷载作用下的振动舒适度评价和提升是该桥梁需要解决的关键问题。2 动力特性采用有限元程序建立了该桥的三维有限元模型。建模时，桥塔及主梁单元采用三维梁单元BEAM188模拟，斜拉索采用LINK8模拟，二期