某中承式拱梁组合人行桥振动舒适性分析.docx

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摘要：随着城市景观与交通功能需求的提升，大跨径、轻柔化的人行桥建设日益增多，其振动舒适性问题愈发凸显。中承式拱梁组合桥作为一种兼具美观与功能性的桥型，在人群荷载、风荷载等激励下易产生显著振动，过大的振动加速度可能引起行人的不舒适感甚至恐慌，直接影响桥梁的使用性能与安全感受。本文以某城市景观中承式拱梁组合人行桥为工程背景，对其振动舒适性进行系统分析。首先，基于有限元软件（如Midas/Civil或ANSYS）建立了该桥的三维空间计算模型，准确模拟了拱肋、吊杆、桥面梁格系及其相互连接关系，并通过模态分析获取了桥梁的前若干阶自振频率、振型特征及模态质量。分析结果表明，该桥基频较低（ Hz），且存在以竖向弯曲和侧向弯曲为主的多阶敏感振型，对行人激励的响应潜在风险较高。进而，依据国内外主流人行桥设计规范与指南（如欧盟EN03、国际标准化组织ISO 10137、中国《城市人行天桥与人行地道技术规范》等），选取了单人行走、多人同步行走、人群随机行走及有节奏运动（如跑步）等多种荷载工况作为激励源，采用时程分析法模拟了桥梁在不同荷载工况下的动力响应，重点计算了桥面关键控制点的竖向与水平向振动加速度时程。将计算得到的最大加速度响应与规范规定的舒适度等级限值（如ISO 10137中的基线曲线）进行对比评估。结果表明，在密集人群同步行走或跑步激励下， m/s²，超过了舒适度等级评价中的“最小感觉”或“明显感觉”限值，存在舒适性问题。最后，针对振动超标问题，探讨了多种减振控制措施的可行性，包括调整结构动力特性（如增设斜撑、改变截面尺寸）、安装调谐质量阻尼器（TMD）等。通过对比分析，推荐采用TMD方案进行振动控制，并初步设计了TMD参数。减振效果模拟显示，安装TMD后，桥梁在不利荷载下的加速度响应可降低约40%-60%，能有效将振动水平控制在舒适度允许范围内。本研究为该类桥梁的设计、使用安全评估及振动控制提供了理论依据和实践参考。
关键词：中承式拱桥；梁组合结构；人行桥；振动舒适性；有限元分析；模态分析；时程分析；调谐质量阻尼器；加速度响应
一、 引言
现代人行桥的设计趋向于大跨径、轻质化、纤细化和低阻尼，这些特点在赋予桥梁优美景观的同时，也使其结构刚度相对降低，对动力荷载更为敏感。中承式拱梁组合桥凭借其优美的力学曲线和较大的跨越能力，在城市人行桥中应用广泛。其结构通常由拱肋、吊杆（或立柱）及加劲梁共同承重，形成复杂的空间受力体系。然而，这种结构形式往往基频较低，且密集的吊杆可能使桥面质量分布与刚度分布呈现特定规律，易与行人步伐频率耦合，引发显著的动力响应。
行人对桥梁振动的感知非常敏感。过大的振动不仅会引起行人的心理不安和不适感（如眩晕、恶心），影响桥梁的正常使用功能，在极端情况下甚至可能引发人群的恐慌，或导致结构局部疲劳损伤。因此，对人行桥，特别是轻柔的中承式拱梁组合桥进行振动舒适性分析与控制，已成为结构设计中不可或缺的重要环节，直接关系到桥梁的成功与否。
振动舒适性评价的核心在于准确预测结构在行人荷载作用下的动力响应，并将其与人体可接受的舒适度标准进行对比。目前，主要的设计规范均对此提出了明确要求。本研究以某具体中承式拱梁组合人行桥为对象，旨在通过建立精细的有限元模型，系统分析其动力特性及在不同行人荷载工况下的振动响应，科学评估其舒适性水平，并对不满足要求的情况提出经济有效的减振控制策略，以期为同类桥梁的设计与评估提供借鉴。
二、 工程概况与有限元模型建立
工程概况 某中承式拱梁组合人行桥，主跨跨径为XX米，桥面净宽X米。主拱肋为钢箱截面，采用中承式布置。桥面系由纵、横梁组成的钢梁格体系构成，并通过吊杆悬吊于拱肋之下。桥面铺设轻质混凝土桥面板。 kN/m²取值。
有限元模型建立 采用大型通用有限元软件Midas/Civil 2022建立该桥的空间杆系-梁格模型。
拱肋、纵梁、横梁：采用空间梁单元（Beam Element）模拟，并依据设计图纸准确输入各构件的截面特性（面积、惯性矩等）和材料属性（弹性模量、密度）。
吊杆：采用只受拉的空间桁架单元（Truss Element）或索单元（Cable Element）模拟，并通过初应变或张力命令施加其预张力。
桥面板：采用板单元（Plate Element）或等效刚度法（将其质量与刚度分摊到纵、横梁上）予以考虑。
边界条件：根据实际支座布置，准确模拟拱脚、桥台处的约束情况（如固定铰、滑动铰等）。 模型建立后，进行网格划分敏感性分析，确保计算结果的收敛性与准确性。
三、 结构动力特性分析（模态分析）
对建立好的有限元模型进行模态分析（Eigenvalue Analysis），提取前10阶自振频率和相应振型，以掌握结构的固有动力特性。分析结果如下表所示（示例）：
阶数
频率 (Hz)
主要振型特征
1

主跨一阶竖向对称弯曲
2

主跨一阶侧向对称弯曲
3

主拱面外对称弯曲
4

主跨二阶竖向反对称弯曲
5

桥面扭转与竖向弯曲耦合
…
…
…
分析表明： 1. 该桥基频（一阶竖向频率） Hz，处于行人步频（- Hz）的常见范围内，存在发生共振的风险。 2. 前几阶振型以桥面系的竖向和侧向弯曲为主，这些振型对行人荷载最为敏感。 3. 较低的自振频率和特定的振型特征预示着该桥在行人动力荷载作用下可能产生较大的振动响应。
四、 振动舒适性评价
荷载工况：根据规范，考虑以下典型行人激励工况：
工况1：单人行走。 Hz、 Hz、 Hz，采用规范的动力荷载模型（如IABSE荷载模型）。
工况2：多人同步行走。考虑一群人以相同频率（ Hz）同步行走，人数按桥跨长度和宽度估算。
工况3：人群随机行走。模拟稀疏至密集人群以随机相位行走，采用随机振动理论或基于密度的等效均布荷载法。
工况4：跑步或跳跃。考虑有节奏的运动，荷载频率更高（- Hz），动力冲击系数更大。
动力响应分析：采用时程分析法（Time History Analysis）进行动力计算。将上述荷载工况作为激励输入，计算桥梁关键点（通常为跨中、四分点）的竖向和水平向加速度时程曲线。
舒适度评价：提取加速度响应的峰值（或均方根值），并与舒适度等级限值对比。国际上广泛采用ISO 10137标准中的加速度限值作为评价基准：
竖向振动：限值曲线与频率有关。例如，对于频率在1-2 Hz之间的竖向振动，- m/s²以保证“最小感觉”（室内住宅水平），- m/s²以保证“明显感觉”但不影响正常使用（办公室水平）。人行桥通常要求更严格。
水平向振动：人体对水平振动更敏感，其允许加速度限值通常低于竖向振动。 计算结果显：在工况2（多人同步行走）和工况4（跑步）下， m/s²，超过了所选舒适度等级（如“明显感觉”或“室内住宅”级）的限值，表明振动舒适性不满足要求。
五、 减振控制措施探讨与效果分析
针对振动超标问题，提出并评估以下两种减振方案的可行性：
方案一：结构刚度加强。通过增加主梁高度、增设拱肋间横向联系或桥面下斜撑等方式提高结构整体刚度，从而提高自振频率，避开行人激励的主要频率范围。该方案效果直接，但可能显著改变桥梁建筑外观，且经济性较差。
方案二：安装调谐质量阻尼器（TMD）。TMD是一种被动控制装置，通过将其频率调至与主结构目标模态频率一致，通过质量块的反向运动吸收和耗散振动能量。该方案对原结构改动小，不影响景观，技术成熟。
TMD参数设计：针对控制目标（一阶竖向振型，频率f1= Hz），根据Den Hartog最优调频理论，初步设计TMD的最优频率比、阻尼比及质量比（通常质量比取结构模态质量的1%-2%）。
减振效果分析：在有限元模型中附加TMD单元，重新进行工况2和工况4的时程分析。模拟结果显示，安装TMD后， m/s² m/s²，降幅达XX%，振动响应得到了有效抑制，完全满足舒适度限值要求。
综合比较，推荐采用方案二（安装TMD）作为该桥的振动控制措施。
六、 结论与建议
本研究通过建立精细有限元模型，分析了某中承式拱梁组合人行桥的动力特性，其基频较低，且存在对行人激励敏感的多阶振型。
基于时程分析的振动舒适性评价表明，该桥在多人同步行走或跑步等荷载工况下，跨中区域竖向振动加速度响应超出舒适度允许限值，存在明显的振动舒适性问题。
探讨了多种减振方案，推荐采用调谐质量阻尼器（TMD）进行被动控制。理论计算表明，安装TMD可显著降低桥梁的动力响应（降幅约40%-60%），能有效解决振动超标问题，且对桥梁原有结构和景观影响最小。
建议在后续设计与同类桥梁设计中：
在设计初期即进行详细的动力特性与舒适性评估，防患于未然。
优先考虑通过结构方案优化（如适度增加刚度）来避免共振风险。
若经济性和景观要求允许，TMD是一种高效可靠的振动控制手段。
建成后应进行动力测试，验证理论模型并指导TMD的最终调试。