第37卷 第2期 2013年4月 武汉理工大学学报(交通科学与工程版) J ournal of Wuhan University of Technology (Transportation Science 8乙Engineering) Vo1.37 NO.2 Apr.2013 人行桥动力特性测试及振动舒适度分析* 蔡 辉” 何 卫 陈琳琳 武汉谢伟平 430015) 430070) (武汉市武汉市政工程设计研究院有限责任公司” 武汉(武汉理工大学土木工程与建筑学院 摘要:对国内外人行桥设计规范进行了比较和总结,给出了建议采用的人行桥振动舒适度评价方 法.以某钢箱梁人行天桥为工程背景,对其进行了模态测试,得到了其动力特性.建立了该桥的有 限元模型,并根据模态测试结果对模型进行了修正.采用建议的评价标准对该人行桥进行了振动 舒适度评价. 关键词:人行天桥;振动舒适度;动力特性;现场测试;模型修正 中图法分类号:U441.3 doi:10.3963/j.issn.2095—3844.2013.02.032 0 引 言 3 Hz.但在实际工程中当人行桥的基频大于3 Hz 时,也会出现振动过大的问题. 在城市交通中,人行天桥以其方便行人穿越 本文对国内外现行人行桥设计规范进行比 较,给出了建议采用的人行桥振动舒适度评价方 法.并对武汉市某人行桥进行振动特性测试,分析 公路、不影响车辆交通正常运行、施工快速方便等 诸多优势,被广泛应用于各大城市交通干道.随着 经济的快速发展,为满足城市景观要求及应对城 市主干道拓宽等挑战,人行天桥逐渐向轻柔、大跨 方向发展,使得其自振频率降低.若人行天桥的自 了该桥的振动舒适度.研究工作可为分析此类结 构的振动问题提供指导. 振频率过低,与桥上行人步频接近,桥梁易产生过 1 现行相关设计规范 自上世纪7O年代,一些学者开始着手人行桥 振动舒适度研究.基于这些研究成果,一些国家规 大振动,这种振动虽不足以引起结构安全事故,但 会造成桥上行人的不舒适感,甚至引起行人不必 要的恐慌.著名的伦敦千禧桥在2000年开放首 Et,由于行量涌入产生了大幅度侧向振动,迫 使桥梁关闭__】].千禧桥事件致使大量学者开始研 范不同程度地考虑了人行荷载引起的人行桥振动 舒适度问题.规范中一般采用两种方法避免结构 发生过大振动,即避开敏感频率法和结构动 力响应法 引. 究人行荷载引起的人行桥振动和行人振动舒适度 问题.我国人行天桥的建设起步相对较晚,但人行 桥在许多城市被广泛采用,由于城市人流量大,随 着人行天桥趋于大跨轻柔化发展,人行荷载引起 避开敏感频率是从共振理论角度出发,指出 在人行桥设计时,尽量避免人行桥的基频落在人 的步频范围内.由于其方法简单,概念明确.大多 数规范在设计时首先考虑避开敏感频率法.瑞典 国家规范BRO2004l4]规定人行桥的竖向基频应 的人行桥振动问题会更加突出.而相关部门对人 行桥的人致振动舒适度问题并没引起重视,目前 仅在文献[2]中建议人行桥的竖向基频应大于 收稿日期:2012—12—23 大于3.5 Hz;英国规范BS5400--2(2006) 、加 蔡辉(1962一):男,博士,高级工程师,主要研究领域为结构设计 *国家自然科学基金面上项目(批准号:51178365)、湖北省自然科学基金重点项目(批准号:2009CDA005)、武汉市学科带头人计 划项目(批准号:201051730549)资助 第2期 蔡 辉,等:人行桥动力特性测试及振动舒适度分析 ・ 363 ・ 拿大安大略省规范OHBDC(1991)[61及欧盟的 Euro code规范_7 等规定桥梁竖向基频超过5 Hz 时结构的振动舒适性能自然得到满足,无需验算 结构的振动最大响应;德国人行桥设计指南 EN03_8 指出敏感频率范围为1.25~4.6 Hz;而 我国的CJJ69—95规范中规定人行桥竖向基频超 过3 Hz时,其振动舒适度自然满足.避开敏感频 率法简单实用,但在设计中,为满足美观要求同时 考虑到造价的经济性,很多桥梁基频难以避开人 行荷载的主频段,结构在人行荷载下的响应 为解决结构振动舒适度问题提供了途径. 动力响应法是指当结构的基频位于人行 动荷载的主频段时,通常是以共振情况下桥梁结 构所产生的最大响应来评估其振动舒适性,确保 在步行荷载作用下的桥梁振动响应不超过舒适度 界限值.英国规范BS5400、欧盟规范Euro code、 ISO10137_9]、瑞典国家规范Bro2004和德国规范 ENO3都采用了该方法. 德国人行桥设计指南EN03吸收了2000年 以来最新的研究成果,涵盖了上述2种方法,与其 他规范相比,具有明显的优越性.不仅如此,EN03 还考虑到桥上行人密度不同时行人振动感受期待 值不同,其根据行人密度不同对舒适性等级进行 了划分.相较之下,我国的CJJ69—95中并未给出 相应的动力响应限值,明显不能满足现阶段人行 桥振动舒适度要求.因此,建议在对人行桥振动进 行舒适度评价时,采用德国EN03规范. EN03规定,当人行桥基频不可避免的位于 竖向1.25~4.6 Hz、侧向0.5~1.2 Hz的频段 时,应根据不同的交通等级确定行人密度(见表1 所列),针对不同的行人密度采用规范建议的方法 验算结构振动峰值加速度,并按表2的限值判别 行人舒适度等级. 表1重要的设计T况说明 掌 描述 预计出现曩 表2 EN03中的舒适度级别 EN03根据不同的人流密度,给出等效人群 行人均布荷载为 P( )一P×COS(2nf,t)×n × (1) 式中:P×COS(2nf,t)为单个行人的谐波荷载;,z 为等效为完全同步的沿桥长方向均匀分布的行人 密度,对于行人密度d<1.0人/m , 一 ,对于行人密度d>1.0人/mz, ,一 ; 为结构基频接近步频变化范围临界值 的概率折减系数,系数取值见图1. 频率/Hz 频率/Hz a)竖向和纵向 b)侧向 图1折减系数 的取值 EN03计算人行桥最大加速度响应采用广义 单自由度共振理论:按逐个振型(竖向或侧向)计 算不同行人密度下的最大加速度响应,并与舒适 度容许值比较.若人行桥S阶模态频率厂 正好在 行人步频敏感范围内,当S阶模态的振型函数 (z)如图2所示时,等效行人均布荷载按照振型 方向加载,S阶产生的最大结构响应为 P 1 … amax一 。 z, 式中:P 为人行荷载所产生的广义模态力;M 为 广义模态质量; 为结构阻尼比. 图2人行荷载模型按照振型加载方式示意图 2 人行桥动力特性测试 以武汉市某已建人行桥为例,详述EN03振 动舒适度评价流程.振动舒适度评价之前需获知 结构的动力特性,为此对所选人行桥进行了动力 特性测试.该桥为独塔斜拉格构式钢箱梁结构,具 体尺寸见图3.全桥共3跨,主跨45 m,桥面宽7 m,由直线段和圆弧段构成.全桥采用8根竖琴式 拉索.由于该桥主桥面采用钢箱梁,轻质柔性易引 起结构共振,桥上行人反应有强烈的不舒适感. 动力特性测试采用基于环境激励的模态测试 方法.采样频率为200 Hz.为获取该桥的主要频 率和振型,对其进行了初步有限元分析[1 ,确定 了测点布置,如图4所示. ・364・ 武汉理工大学学报(交通科学与工程版) 2013年第37卷 图4模态测试测点布置示意图(单位:mm) 根据实测的脉动加速度时程曲线,采用特征 系统实现算法(eigen—system realization algo— rithm,ERA),识别出结构的主要振型及频率值, b)天桥立面图和平面图(单位:m) 如表3所列.由于测试条件的,未获得桥塔振 型. 图3人行桥实景图及几何尺寸 表3天桥振动特性实测值与有限元理论模拟值对比 振型 频率值/Hz 计算结果 模态质量/kg 振型描述 桥塔1阶侧弯 振型 实测结果 频率值/Hz 振型描述 误差/ 主梁1阶竖弯 主梁1阶扭转 主梁2阶竖弯 主梁1阶竖弯 主梁1阶扭转 主梁2阶竖弯 主梁3阶竖弯 主梁3阶竖弯 主梁4阶竖弯 主梁4阶竖弯 3 动力特性分析 基于模态测试结果,对建立的有限元模型进 行了修正.将修正后模型的模态分析结果列于表 渣 副 柏 匠 3.由表3可知,有限元计算结果与实测固有频率 十分接近(误差小于1O ),振型也十分吻合,可 l 桥面坐柯m a)一阶竖弯振型曲线 认定本文采用的有限元模型是正确有效的. 由表3可见,该桥前2阶竖弯频率均在德国 0 剥 0 人行桥设计指南规定的敏感范围内,故需对该桥 进行振动响应计算.该桥的前2阶竖弯振型见图 指 。 5.利用有限元程序提取其前2阶竖弯振型曲线, 见图6. 1 桥面坐标/m b)二阶竖弯振型曲线 图6结构模态振型曲线(归一化) 结合实测数据和模拟振型可以看出,竖向振 动的能量集中在前两阶固有频率附近,且该人行 桥的前两阶竖向频率均在行人步频敏感范围内, 不满足文献[2]中“为避免共振,减少行人不安全 感,天桥上部结构竖向Ikl振频率不应小于3 Hz” 图5 人行天桥有限元前三阶模态振型图 的规定. 第2期 蔡 辉,等:人行桥动力特性测试及振动舒适度分析 ・ 365 ・ 一 ∽川( 一 4 人行桥振动舒适度评价 根据实测和数值模拟结果可知,该人行桥前 2阶竖向基频均在行人步频敏感范围内.按照德 』』I )I 式中: 分. (3) (z)II dz为振型曲线对桥面面积的积 国规范EN03对该桥进行振动舒适度评价,需计 算该桥的前2阶竖向动力响应. 模态质量可由有限元软件Ansys直接提取. 按照德国规范给出的人流密摩对该人行桥讲 等效模态幅值力为 行模态响应计算,计算参数及结果见表4. 表4不同人流密度下模态响应计算结果 将计算结果与德国规范给出的加速度限值比 较可知,该人行天桥上人流密度大于0.5人/m 时,结构的最大响应大于行人能接受的范围;人流 密度为0.2人/m 时,桥面最大加速度1.43 EJ].Struct.Eng.,2008,79(22):17-33. E23中华人民共和国交通运输部.cJJ69—95城市人行天 桥与人行地道技术规范Es].北京:人民交通出版社, l995. m/s ,振感强烈,舒适度级别为最小,与在桥上行 走时的感受十分吻合.可见该人行桥的振动问题 过大,需进一步采取减振措施. [3]孙利民,闫兴非.人行桥人行激励振动及设计方法I-J]. 同济大学学报:自然科学版,2004,32(8):996—999. E4]BRO 2004.Vagverkets allmanna tekniska beskivning for nybyggande och forbattring av broarl-S].Svensk Byggtjanst,Stockholm,Sverige,2004. 结 论 I-5]STEEL,2006.Concrete and composite bridges part 2:specification for loads[s].BS 5400 UK:British 1)我国规范对人行桥振动舒适性未作出明 确要求,只建议竖向基频应超过3 Hz,没有给出 Standards Association,London,2006. E6]Ontario Ministry of Transp0rtation,Toronto.Ontar— io highway bridge design code[S].Toronto,1983. 57]British Standard.Eurocode—Basis of structural design lS1.EN 1990:2002. 振动响应限值,本文建议采用德国人行桥设计指 南对人行桥振动舒适度进行评价. 2)本文计算所用人行桥的竖向基频与行人 步频接近,容易发生共振现象. E8]Human Induced Vibration of Steel Structures.Vibra— tion design of footbridge:background document, 3)采用德国人行桥设计指南评价方法对该 人行桥进行评价,即使行人密度较小(O.2人/m ) 时,该桥的振动过大,行人也会有不舒适感,建议 EN03rS].HIV0SS,2008. [9]Bases for design of structures serviceability of build— ings and pedestrian walkways against vibration ,lS]. ISO/CD1 0 1 3 7,International Standards Organiza— tion,Geneva,Switzerland,2005. 对该桥采取相应的减振措施. 参考文献 El0]刘寅.人行天桥振动舒适度评价研究ED].武汉: (下转第368页) [1]DALLARD P.The London millennium footbridge 武汉理工大学,2010. ・ 368 ・ 武汉理工大学学报(交通科学与工程版) 2013年第37卷 电气系统的故障诊断,能极大地提高诊断效率.但 该方法也存在训练样本获取困难、网络学习没有 断方法[J].系统工程理论与实践,2002,6(6):61—66. [3]谢正喜,廖学兵,赵海燕,等.BP神经网络在自行火炮 电启动系统故障诊断中的应用[J].移动电源与车辆, 2007(4):29-31. 确定模式,不能解释推理过程和推理结果等问 题嘲,需要在以后做进一步的研究. 参考文献 -I4]朱大奇.电子设备故障诊断原理与实践[M].北京:电 子工业出版社,2004. [:1-1王新军,蔡艳平,成 曙.故障诊断技术在武器装备 维修中的应用研究[J].中国修船,2006,19(s1):23— 27. [53王雪.测试智能信息处理[M].北京:清华大学出版 社,2008. I-6]王仲生.智能故障诊断与容错控制EM].西安:西北工 、I 大学出版社,2007. [2]张绪锦,谭剑波,韩江洪.基于BP神经网络的故障诊 Research on Fault Diagnosis of Weapon Armament Electrical System Based on BP Neural Network FENG Saowei LIANG Yuanhua SHAO Chengming。 (Offife 0f Research Development,Naval Univ.of Engineering,Wuhan 430033,China) (DPP口rtment of Weaponry EnginPering,Naval Univ.of Engineering,Wuhan 430033,China) (The Troop 91492,PLA Army,Qindao 266000,China)。 Abstract:Weapon armament electrical system shows particularly nonlinear characteristic.In this pa— per。BP neura1 network's ability to deal with nonlinear is used to enhance the fault diagnosis efficien— cv.The fault diagnosis oode1r of BP neural network is established.The method of fault feature extrac— ting and the processing of sample data are analyzed.And the method is applied in fault diagnosis of weapon armament electrical system.It is proved that the fault diagnosis method enhanced the weapon armament electrical system fault diagnosis accuracy. Key words:BP neural network;fault diagnosis;weapon armament;electrical system 。●。。●。。●o 。●。o●。o◆。。,oo●。。●。。●。。●oo ̄oo●。o●。。●o。◆o。◆o。●o。●o。●。o●。。◆o。◆。o◆。o●。。●o。●。。●。。●。。●o。●。。●。。●Ⅲ。o●o。●oo●。o●o。000●。。●。。◆。。●。。●。。●。。●。 (上接第365页) Dynamic Characteristics Testing and Vibration Serviceability Analysis on Footbridges CAI HuiD HE Wei CHEN Linlin XIE Weiping。 (Wuh口 Municipal Engineering Design&Research Institute Co.,Ltd,.Wuhan 430015,China) (School of Civil Engineering and Architecture,Wuhan University of Technology. W“han 430070,China) ’ Abstract:Footbridge vibration comfort evaluation criteria is suggested based on some of the design procedures available in this paper.A typical footbridge is taken as a real example to investigate the vi— bration characteristics through field measurement.The models of this footbridge is simulated by fi— nite—element analysis,the vibration serviceability is evaluated in the suggested guideline EN03 in Ger— many. Key words:footbridge;vibration serviceability;dynamic characteristics;field measurement;model up— dating