人行桥竖向动力响应研究及振动控制

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1、硕士学位论文1．1研究背景第1章绪论桥是一种用来跨越障碍的大型构造物，其主要功能是帮助行人、车辆跨越障碍，所以说最初的桥梁必定都是供行人使用的，也就是说人行桥是人类最早建造的桥梁形式⋯。桥梁本身既是一种功能性的结构物，也是一座立体的艺术工程。随着社会的进步，人行桥从最初单纯的交通工具变成了被赋予更多感情色彩的城市艺术底蕴和人文关怀的载体，从某种程度上可以说人行桥的发展体现着整个人类的发展史12J。如今，随着城市交通流量的增加，人行桥已成为城市基础设施的一个重要组成部分，它有效地实现了人车分流，保证了行人的安全。同时，人行桥在城市中

2、的功能也不再仅仅是帮助行人跨越障碍，其更有可能成为城市的一道风景、一张名片。图1．1所示为江苏睢宁水袖桥，该桥于2010年建成，全长635m，为加强县城两个区域的联系而建。设计者在满足基本通行功能前提下结合当地文化特色(灵感来自于戏曲中的水袖)设计而成，通过富有艺术的设计该桥俨然成为城市中的一道风景线13J。图1．1江苏睢宁水袖桥效果图现代人对结构的审美偏向于结构纤细和跨度更大，而新型高强材料的发展以及施工工艺和设计水平的不断提高，促进了人行桥向着质量轻、跨度大的方向不断发展。图1．2所示为绵阳会客厅一号桥，于2012年年底正式建

3、成通车，该桥为全国首座人车分离双层城市景观斜拉桥，上层为人行曲线钢箱梁桥，下层为混凝人行桥竖向动力响应研究及振动控制土车行桥，全桥长400m，主跨为200m，就人行桥而言已属超大跨径，由文献[4】可知，该人行桥极易发生大幅振动(包括侧向和竖向)。图I．2绵阳会客厅一号桥鸟瞰图由以上的两座近年建成的人行桥可以看出，现代人行桥正向着结构纤细和跨度更大的方向发展，这样便导致人行桥的质量越来越轻、刚度越来越小，从而使得人行桥在动力荷载作用下也更容易发生振动。已知有记录的最早关于人行桥人致振动的报告应该是Stevenson在1821年所记录

4、的事件，他记录了一个军队通过桥梁时发生了剧烈的振动，同时指出人行桥的设计应考虑人致动力荷载【5J。在Stevenson的报告发表10年后的1831年，发生了桥梁人致振动毁坏最有名的事故——一队60人的士兵齐步走过英国Broughton的一座铸铁悬索桥致使其垮塌。文献[6】详细介绍了自1825年至2000年间世界各地39座由人群荷载引发的桥梁垮塌事故，其中大部分为人行桥。但是随着设计水平的提高和计算理论的不断完善，近些年来人致桥梁垮塌事故已鲜有发生，取而代之的是大幅的人致振动响应。1957年我国首座跨长江大桥——武汉长江大桥建成通车

5、，在举行通车庆典时有上万名群众涌向大桥，导致桥梁发生严重的横向振动并引起人群恐慌【_71。1973年西班牙的Bosporus大桥开放当天大约有6～10万人涌入该桥，同时每分钟还有近2000人的人流量从桥梁两端不断涌入，最终引起了该桥的大幅摇摆。据《工程新闻记录》，该桥的设计人群密度为1人／m2，而开放当天的最大人群密度达到了5人／m2左右17J。虽然有关桥梁人致振动事件的报道屡见不鲜，但是真正引起公众和学术界重视的是2000年的伦敦千禧桥(TheMillenniumBridge)事件，光是报道这一事件的纸质媒体就有上千家。千禧桥为

6、英国为迎接二十一世纪的到来而修建的一座人行浅悬索桥，该桥为三跨连续结构，主跨144m，全长333m。该桥在设计之初就2硕士学位论文受到了广泛的关注，被誉为新世纪泰晤士河上的标志性建筑。然而在该桥开通当日便发生了大幅的侧向振动，次日限值上桥人数仍引起了大幅振动，因此在开通三天后便被迫关闭。事后通过分析录像，估计开通当日有8～10万人通过该桥，最高峰时大约有2000人同时在桥上，人群密度约为1．3～1．5人／m2【8】。由以上的综述可知，虽然近些年发生的人行桥人致振动事件较多，但是基本没有造成桥梁毁坏的事故；另一方面，行人自身对振动非

7、常敏感，大概能感觉到0．001mm的位移【l01，O．01m／s2的加速度【4】。因此，学术界普遍认为桥梁人致振动是关于正常使用性能(行走舒适性)的问题而不是安全性的问题。引起桥梁发生人致振动的原因都是由于桥梁的某一阶或某几阶固有频率被激发而引起的共振，而之所以那么容易发生共振主要是因为人行荷载的频率与桥梁的固有频率很接近。而在这些已经发生人致振动的桥梁中，几乎涵盖了所有的结构类型和材料类型，也就是说不管什么样的桥梁都有可能发生大幅人致振动。因此，当人行桥的基频低于5Hz时，应该对其进行相应的人致振动响应分析【_71。1．2国内外

8、研究现状1．2．1步行力荷载研究步行力荷载的特殊性决定了行人引起的结构振动与车辆、地震等其他荷载引起的结构振动有所不同。步行力荷载的特殊性主要表现为以下三个方面：(1)步行力荷载为周期性荷载；(2)步行力荷载相关参数服从窄带随机分布；(3)人桥相互