人行桥侧向振动分析

论文摘要

2000年千禧桥的大幅侧向共振问题引起了公众和业内人士的广泛关注,目前人们的共识是对于侧向自振频率低于1.3Hz的柔性人行桥,当桥上的行人足够多时都存在大幅侧向共振的隐患。解决该问题的方法有三种：一种是增加侧向刚度,使桥梁侧向自振频率避开敏感的频段,该方法的缺点是可能会影响结构的美观,且对于特别柔的桥梁实际上也是不可行的；另一种是附加阻尼装置,降低共振响应,该方法的缺点是加固造价可能很昂贵,千禧桥的加固就采用了这种方法,加固费用达7百万美元；还有一种是限制人行桥的通行人数。由于大幅侧向共振现象仅当桥上人数多到一定程度时才会发生,因此有必要研究避免柔性人行桥发生大幅共振的临界人数。为此,本文在英国学者Roberts T.M.提出的简化分析方法基础上,对行人单自由度的振动方程进行合理的简化,假设模态空间内行人和桥梁结构动力相应幅值相等,推导出人行桥避免发生大幅侧向共振的临界人数的估算公式。通过大量试验对中国行人的步频和步长进行了统计,结果表明它们分别服从N（1.82Hz,0.22）、N（0.72m,0.078）的正态分布,步行速度与步频呈线性关系,由于人种的差异,步频均值及其分布与国外统计结果有一定差别,其他结论与已有研究一致。接着,建立了三种不同跨度的简支人行桥有限元模型以验算临界人数估算公式的准确性。由于人行桥横向振动敏感频率范围为0.5-1.2Hz,三种工况的频率分别为1.2Hz、0.887Hz和0.6 Hz。具体的做法是建立简支人行桥的有限元模型,进行模态分析得到桥梁侧向自振频率。然后,利用本文提出的人行桥临界人数估算公式计算它的临界人数,将该临界人数的人行荷载沿桥面均匀布置,其中侧向激励的频率取步频均值的一半即0.90Hz,荷载移动速度取步长、步频二者均值的乘积,求解这一人群过桥时桥梁侧向加速度响应幅值的最大值。最后,把计算得的响应与德国规范EN03（2007）规定的加速度限值比较,发现三种工况的加速度响应都接近不舒适的下限加速度值,处于“临界”状态。因此,本文的分析方法能较好保守估计横向振动的临界人数,为人行桥的行人管制提供参考。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 问题的提出
• 1.1.1 英国伦敦千禧桥
• 1.1.2 日本T桥（Toda Park Bridge）
• 1.1.3 日本M桥（Maple Valley Great Suspension Bridge）
• 1.2 各国现行规范有关人行桥人致振动规定的综述
• 1.2.1 频率调整法
• 1.2.2 动力响应分析法
• 1.2.3 对现行规范的讨论
• 1.3 人行桥人激振动的研究进展
• 1.3.1 人行荷载测量
• 1.3.2 步行荷载模型与步频测试
• 1.3.3 人行桥人致振动理论
• 1.3.4 控制措施
• 1.4 本文的研究方法
• 第2章 人行桥侧向振动理论与步频研究
• 2.1 概述
• 2.2 临界人数公式的导出
• 2.2.1 Dallard模型
• 2.2.2 本文公式的导出
• 2.3 步频的研究
• 2.3.1 试验步骤
• 2.3.2 试验结果与分析
• 2.4 小结
• 第3章 人行桥人激侧向振动时程分析
• 3.1 结构的动力时程分析
• 3.1.1 直接积分法
• 3.2 某人行桥的侧向振动分析
• 3.2.1 人行桥有限元模型
• 3.2.2 荷载与加载方式的确定
• 3.2.3 响应时程计算及结果
• 3.2.4 其它工况计算
• 3.3 行人过桥的舒适度
• 3.3.1 桥梁振动的竖向舒适度
• 3.3.2 桥梁振动的水平舒适度
• 3.4 各计算工况舒适度评价及结果分析
• 3.5 小结
• 总结与展望
• 4.1 本文工作总结
• 4.2 对进一步工作的展望
• 参考文献
• 致谢