[關(guān)鍵詞] 工程結(jié)構(gòu)； 抗震； 設(shè)計(jì)方法

    隨著國民經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，國家交通事業(yè)也隨之不斷進(jìn)步，城市交通網(wǎng)絡(luò)的不斷發(fā)展使城市工程、景觀工程也日益增多。近些年來，工程不斷向“輕”、“新”二字的發(fā)展方向建設(shè)，采取新穎的結(jié)構(gòu)形式，使用輕型建筑材料，促進(jìn)工程不斷向輕柔、大跨、空間結(jié)構(gòu)的方向發(fā)展。但是隨著工程的質(zhì)量的降低、阻尼的減小，其自振頻率也不斷減小，使結(jié)構(gòu)對(duì)人行荷載激勵(lì)越來越敏感，容易產(chǎn)生工程共振現(xiàn)象，這種工程振動(dòng)工程上行人的走行舒適度具有嚴(yán)重的影響，甚至使行人產(chǎn)生心理恐慌。工程的人致振動(dòng)問題越來越引起關(guān)注。行人引起的工程振動(dòng)主要有兩種，即豎向振動(dòng)和側(cè)向振動(dòng)。由于近幾十年工程才得到快速發(fā)展，在前些年，工程的側(cè)向振動(dòng)問題沒有凸顯，工程界也一直沒有引起足夠的重視。直到近些年，發(fā)生了一些行人造成的工程側(cè)向振動(dòng)使用性問題，工程側(cè)向振動(dòng)問題才逐漸引起工程界的關(guān)注。 

　　1 工程人行荷載步行力測量 

　　測量單人的步行力是很多學(xué)科研究的內(nèi)容，主要是通過大量的行人在測力臺(tái)上或者走步機(jī)等相似的儀器上行走試驗(yàn)研究，記錄行人的步行力的動(dòng)荷載時(shí)程曲線，并對(duì)此時(shí)程曲線進(jìn)行分析出其參數(shù)特征。最開始對(duì)于單人步行力的研究不僅僅是為了研究工程振動(dòng)，主要還是為研究大型商場和大型體育場看臺(tái)中人群產(chǎn)生荷載下的結(jié)構(gòu)動(dòng)力性能，一般采用固定于地面的側(cè)力臺(tái)或走步機(jī)對(duì)單人步行力作為測量，如Harper等（1961）最早用測力臺(tái)測量單人步行力的豎向力和水平力，后來Andriacchi則利用測力板測量單人步行力在三個(gè)分量上的時(shí)程曲線，而針對(duì)于除正常行走其他的行走情況，Galbraith&Barton（1970）將慢跑到跑步各個(gè)狀態(tài)下的單人步行力的豎向力利用了測力臺(tái)進(jìn)行相應(yīng)的測試，得出了相關(guān)結(jié)論。 

　　Jacobs（1972）在樓板上測量出單人的步行豎向力，Kerr&Bishop研究輕型樓梯的人致振動(dòng)時(shí)，采用了測力臺(tái)對(duì)單步豎向力進(jìn)行了測試。測量其他的運(yùn)動(dòng)，比如跑步、跳躍等產(chǎn)生的激勵(lì)和測量步行力的方法一致，同樣是采用測力臺(tái)進(jìn)行。由于步行力荷載的復(fù)雜性和對(duì)很多因素的依賴性，不同的學(xué)者在各自的步行力測試中都取得不同的研究成果，但是往往測步行力試驗(yàn)都是針對(duì)于步行力豎向分量的測量，對(duì)于側(cè)向步行力分量的測量的研究比較少，這也是因?yàn)榇蟛糠值娜酥抡駝?dòng)都是由豎向振動(dòng)引起的。 

　　2 各國現(xiàn)行抗震設(shè)計(jì)規(guī)范 

　　2.1 BS5400 

　　英國規(guī)范BS5400適用于工程的設(shè)計(jì)和施工，是最早提到工程振動(dòng)使用性問題的規(guī)范之一。BS5400的每一部分都有相應(yīng)的BD規(guī)范輔助實(shí)現(xiàn)。在工程的設(shè)計(jì)方面，目前主要有兩套BD規(guī)范。其中BD29/04規(guī)范對(duì)工程的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了規(guī)定，BD37/01規(guī)范對(duì)作用于工程的荷載進(jìn)行了規(guī)定。BD29/04規(guī)范從工程的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)方面著手，要求設(shè)計(jì)者充分意識(shí)到工程對(duì)人行荷載的敏感性。特別是發(fā)生人群同步現(xiàn)象時(shí)，更應(yīng)該認(rèn)真考慮。當(dāng)工程的豎向固有頻率低于5Hz，而側(cè)向固有頻率又低于1.5Hz時(shí)，在人群同步荷載的作用下，其振動(dòng)問題尤為突出。此規(guī)范并沒有給出側(cè)向最大加速度的計(jì)算方法。 

　　2.2 歐洲規(guī)范 

　　歐洲規(guī)范EN1990以工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為基礎(chǔ)，規(guī)定以可接受的工程最大加速度來確定行人舒適性指標(biāo)EN1990 Eurocodel中的第2部分定義了公路工程、橋梁工程和鐵路工程設(shè)計(jì)時(shí)的荷載模型。規(guī)定：工程主跨結(jié)構(gòu)根據(jù)結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性，即相應(yīng)固有頻率的不同，應(yīng)采用不同適當(dāng)?shù)慕Y(jié)構(gòu)模型。另外人行荷載頻率如果與工程的某階頻率相同，導(dǎo)致共振響應(yīng)時(shí)，應(yīng)驗(yàn)證共振時(shí)的極限振動(dòng)狀態(tài)。最后Eurocodel指出設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)該定義合適的人行荷載動(dòng)力模型，以及相應(yīng)的舒適度指標(biāo)。 

　　2.3 Bro2004 

　　Bro2004為瑞典國家道路管理部門頒布用于工程設(shè)計(jì)施工的通用技術(shù)規(guī)范。規(guī)定工程豎向的固有頻率應(yīng)該大于3.5Hz，否則需驗(yàn)證其振動(dòng)適用性。如果豎向的固有頻率小于或等于3.5Hz，工程任意位置豎向加速度的平方根RMSα≤0.5m/s2。Bro2004對(duì)于工程豎向加速度可通過簡化的單自由度動(dòng)力分析方法求解。對(duì)于復(fù)雜的工程，需采用電腦編程分析求解。 

　　2.4 德國規(guī)范EN03 

　　德國工程設(shè)計(jì)指南EN03吸收了2000年以來的新的研究成果，采取工程自振頻率與行人承受的峰值加速度限值相結(jié)合的方法規(guī)定舒適度等級(jí)。按照這一方法，動(dòng)力設(shè)計(jì)應(yīng)首先驗(yàn)算工程自振頻率是否在豎向1.25～2.3Hz、側(cè)向0.5～1.2Hz的振動(dòng)敏感頻率范圍之內(nèi)。若在這一范圍內(nèi)，應(yīng)根據(jù)不同行人稠密度等級(jí)確定動(dòng)力荷載的行人密度，按相應(yīng)的行人密度和指南建議的方法驗(yàn)算峰值振動(dòng)加速度，并按表2-3的限值來判定豎向和橫向振動(dòng)的行人舒適度。 

　　BS5400提出的荷載模型只適用于結(jié)構(gòu)的豎向振動(dòng)，不能應(yīng)用于側(cè)向。ISO10137模型只適用于單人荷載。Eurocode荷載模型只適用于比較簡單的結(jié)構(gòu)，復(fù)雜結(jié)構(gòu)的荷載模型由設(shè)計(jì)者決定。Bro2004荷載模型只適用于豎向振動(dòng)，對(duì)側(cè)向工程人致振動(dòng)分析振動(dòng)，既沒確定荷載模型，也沒規(guī)定設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。EN03規(guī)定的方法對(duì)豎向和側(cè)向振動(dòng)都適用。 

　　3 工程結(jié)構(gòu)基于性能的抗震設(shè)計(jì)方法 

　　3.1 調(diào)質(zhì)阻尼器（TMD） 

　　調(diào)質(zhì)阻尼器（TMD）屬于被動(dòng)控制技術(shù)，它的裝置是在結(jié)構(gòu)頂部或上部某個(gè)位置加上加上慣性質(zhì)量，它是在結(jié)構(gòu)物頂部或上部某位置上加上慣性質(zhì)量并用彈簧和阻尼器連接主體結(jié)構(gòu)，TMD作為一種被動(dòng)控制方式，因其構(gòu)造比較簡單，方便安裝，維護(hù)方便，并且經(jīng)濟(jì)實(shí)用，不需外力作用，有著其它方法無法比擬的優(yōu)點(diǎn)，因此在高層建筑風(fēng)振控制、工程控制等領(lǐng)域得到重視，在很多生產(chǎn)實(shí)踐當(dāng)中得到應(yīng)用。為了說明TMD的減振原理，首先見圖5-1是TMD二自由度動(dòng)力學(xué)模型，由二自由度的質(zhì)量，彈簧，阻尼系統(tǒng)組成，用來簡化TMD系統(tǒng)和主體結(jié)構(gòu)的模型，并將激振力簡化為一頻率為ω的正弦荷載F=sinωt。通過適當(dāng)?shù)倪x取參數(shù)m2、C和k2，可以達(dá)到有效降低質(zhì)量m，振幅的目的。 　　3.2 調(diào)液阻尼器（TLD） 

　　調(diào)頻液體阻尼器（TLD）是一種典型的被動(dòng)控制裝置，利用結(jié)構(gòu)上固定容器中液體的慣性和粘性耗能來減小結(jié)構(gòu)振動(dòng)，通�？膳c建筑頂部的儲(chǔ)水裝置結(jié)合使用。這種減振裝置具有很多優(yōu)點(diǎn)：經(jīng)濟(jì)實(shí)用，簡單安裝和拆卸，使用方便，使用時(shí)間很長，同時(shí)可以兼作消防水箱和減振裝置使用，用途十分廣泛。 

　　TLD是一種固定在結(jié)構(gòu)上（一般為頂部）的矩形水箱，既可以是一個(gè)大型水箱，也可以是幾個(gè)水箱的組合。當(dāng)結(jié)構(gòu)在風(fēng)的作用下發(fā)生振動(dòng)時(shí)將帶動(dòng)水箱一起運(yùn)動(dòng)，而水箱的運(yùn)動(dòng)會(huì)使箱中的水發(fā)生晃動(dòng)，并引起表面的波浪，這種水和波浪對(duì)容器壁的壓力差就構(gòu)成了對(duì)結(jié)構(gòu)的減振力。一般情況下，對(duì)于結(jié)構(gòu)的某一振型發(fā)生振動(dòng)時(shí)，通過適當(dāng)調(diào)整水箱中水體的質(zhì)量和晃動(dòng)頻率，即控制力的作用周期和大小，從而達(dá)到對(duì)結(jié)構(gòu)減振的目的。 

　　3.3 粘滯阻尼器 

　　粘滯阻尼器（或稱油阻尼器）的原理與構(gòu)造如圖4-3所示。我們知道，用水槍噴水時(shí)，如果要使水流越快或水的出口越小，需要的力也越強(qiáng)。粘滯阻尼器就是運(yùn)用了這一原理。一般的粘滯阻尼器用鋼制的油缸與活塞代替水槍筒與壓桿。并在活塞上設(shè)置細(xì)小的油孔，代替水的出口。當(dāng)油體通過狹小的阻尼孔時(shí)，阻尼器吸收的能量通過流體抵抗轉(zhuǎn)換為熱能。當(dāng)油體通過的阻尼孔直徑一定時(shí)，粘滯阻尼器的阻尼力大致與加載速度的2次方成比例。 

　　粘滯阻尼器是一種典型的速度型阻尼器。所謂速度型阻尼器就是速度直接影響阻尼器的阻尼力大小，粘滯阻尼器的滯回曲線呈規(guī)則的橢圓形，曲線由內(nèi)到外加振速度依次增大，接近速度極限時(shí)，滯回曲線由橢圓逐漸變飽滿。通過改變活塞的大小、阻尼孔的直徑和油缸的長度，能夠自由設(shè)定一個(gè)循環(huán)的能量吸收性能。 

　　3.4 TMD減振設(shè)置方案 

　　由人行結(jié)構(gòu)工程人致振動(dòng)仿真分析結(jié)果可知，側(cè)向振動(dòng)的最大加速度響應(yīng)超過了舒適性指標(biāo)，需要采取合適的減振措施。本文采用TMD減振裝置，以控制側(cè)向第1階模態(tài)的TMD減振裝置為例，說明TMD參數(shù)設(shè)計(jì)方法。根據(jù)模態(tài)分析結(jié)果，第1階側(cè) 

　　向振動(dòng)模態(tài)的頻率f=1.15Hz，相應(yīng)的模態(tài)質(zhì)量m*=51噸，TMD安裝于側(cè)向模態(tài)位移最大處即在主跨跨中，TMD的運(yùn)動(dòng)方向?yàn)闄M工程向。TMD的質(zhì)量與第一階側(cè)向振動(dòng)模態(tài)的廣義質(zhì)量比值取為6.0%。 

　　4 結(jié)語 

　　隨著現(xiàn)在的公路工程不斷采用高強(qiáng)材料，新的結(jié)構(gòu)體系，施工工藝，工程也得到了很大的發(fā)展，重量越來越小，跨度越來越大，外形也越來越輕巧，但是同時(shí)也由于工程梁的剛度和質(zhì)量以及阻尼的降低而帶來了工程人致振動(dòng)問題也越發(fā)明顯，現(xiàn)在建立的許多工程也都面臨著比較嚴(yán)重的人致振動(dòng)問題，通過基于結(jié)構(gòu)工程性能的計(jì)算研究，發(fā)現(xiàn)側(cè)向振動(dòng)更為明顯，并針對(duì)工程人致振動(dòng)問題提出幾種可行的解決方案，認(rèn)為在工程設(shè)計(jì)中以及成工程以后均可采取安裝阻尼系統(tǒng)的措施。 

　　[參考文獻(xiàn)] 

　　[1] 劉永華，張耀春.鋼框架高等分析研究綜述[J].哈爾濱工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào).2005（09） 

　　[2] 莊和星，宋啟根，呂令毅.鋼框架梁柱非線性分析中的一種新單元[J].建筑結(jié)構(gòu).2005（08） 

　　[3] 姜銳.建筑結(jié)構(gòu)基于位移的抗震設(shè)計(jì)方法研究[J].太原科技大學(xué)學(xué)報(bào).2005（02） 

　　[4] 孫俊，劉錚，劉永芳.工程結(jié)構(gòu)基于性能的抗震設(shè)計(jì)方法研究[J].四川建筑科學(xué)研究.2005（03）