CN108376196A - 一种提高既有人行桥舒适度方法 - Google Patents

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周军文
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Abstract

本发明公开了一种提高既有人行桥舒适度的方法，通过加速度计测量运行过程中的测点加速度来更新有限元模型，在此基础上优化质量调谐阻尼器的数量、参数以及位置，通过阻尼器的优化分析，提高既有人行桥的舒适度。本发明的方法应用简单，能够在被测人行桥运行状态下检测模态参数，也不需要测量输入的激励信号，测量结果精度高，灵活性好。在此基础上，经过TMD的优化设计，减振效果好，有效提高人行桥的舒适度。本发明通过简单地加速度计测量运行过程中的测点加速度来更新有限元模型，在此基础上优化质量调谐阻尼器的数量，参数以及位置，该方法可以更有效的提高既有人行桥的舒适度。

Description

一种提高既有人行桥舒适度方法
技术领域
本发明涉及一种有效提高人行桥舒适度的方法，属于土木工程领域。
背景技术
大跨度且柔度大的人行桥在人行荷载以及其它各种环境荷载(如道路交通和风荷载)作用下会产生大的加速度和变形。为了提高舒适度，现在主要有两种方法，一种为提高结构的刚度，该方法需要增大结构构件的截面，不经济。另一种方法是增加结构阻尼的方法，例如粘滞阻尼器，调谐质量阻尼器(TMD)。其中用调谐质量阻尼器减小人行桥振动加速度的方法比较普遍。主要问题是调谐质量阻尼器对人行桥的加速度减振效果对结构本身的动力特性非常敏感。现有分析方法中，明显的缺陷都是根据结构设计图纸建立的有限元模型，和真实的结构的振动特性是有差别的，因为既有人行桥经过多年的运行，梁柱构件会出现不同的损伤，会影响结构的刚度。以往的研究方法主要是假设人行桥的不同步行荷载模式代替真实的人行桥荷载。该假设方法有如下缺点：首先步行荷载只是一种假设，不能真正考虑荷载的随机性；其次人行桥还会受到交通荷载以及风荷载等环境荷载的激励。所以以往的分析方法不可能反映人行桥真实的振动状况，从而不能有效的减小人行桥振动加速度，从而提高人行桥的舒适度。
发明内容
针对现有技术中存在的上述问题，本发明提供一种联合运用工作模态试验和模型更新的方法来提高既有人行桥舒适度的方法。
为了实现上述目的，本发明采取了如下技术方案：
一种提高既有人行桥舒适度的方法，通过加速度计测量运行过程中的测点加速度来更新有限元模型，在此基础上优化质量调谐阻尼器的数量、参数以及位置，通过阻尼器的优化分析，提高既有人行桥的舒适度。
进一步，本发明的方法包括如下步骤：
步骤一：在人行桥布置三向加速度计，采集不同时段测点加速度时程；
步骤二：利用NI模态分析模块得到既有人行桥在运行状态下的动力特性；
步骤三：利用FEMtools软件根据NI模块的动力特性对既有人行桥进行模型更新；
步骤四：基于更新有限元模型，运用ANSYS软件对质量调谐阻尼器的数量、位置以及参数进行优化，使得人行桥在不同工况下的加速度符合舒适度要求，提高人行桥的舒适度。
进一步，所述步骤一，确定人行桥桥面板布置的三向加速度计的位置，在NI模态分析模块中依据设计图纸建立模型，在模型中相应位置输入采集到的加速度时程。
进一步，所述步骤二，采集既有人行桥在运行状态下的所有测点加速度数据，把所有的测点加速度时程数据输入NI模态分析模块中模型相应节点；识别出既有人行桥运行状态下的前几阶振动特性，包括自振频率、振型以及阻尼比。
进一步，所述步骤三，基于步骤二识别出来的前几阶模型特性，利用FEMtools软件进行模型更新，把按照结构设计图纸建立的有限元模型的结构构件几何参数和材料参数进行优化，使得修正后的有限元模型的动力特性和人行桥运行状态下的动力特性一致。
进一步，所述步骤四，在更新后的有限元分析模型基础上，运用ANSYS软件，优化确定调谐质量阻尼器的个数以及位置，设计调谐质量阻尼器质量块的重量以及弹簧的刚度。
本发明的有益效果如下：
本发明的方法应用简单，能够在被测人行桥运行状态下检测模态参数，也不需要测量输入的激励信号，测量结果精度高，灵活性好。在此基础上，经过TMD的优化设计，减振效果好，有效提高人行桥的舒适度。本发明通过简单地加速度计测量运行过程中的测点加速度来更新有限元模型，在此基础上优化质量调谐阻尼器(TMD)的数量，参数以及位置，该方法可以更有效的提高既有人行桥的舒适度。
附图说明
图1是人行桥桥面板三向加速度计的位置示意图。
图2是人行桥提高舒适度的流程图。
图中：1-人行桥柱，2-人行桥楼梯，3-人行桥梁，4-三向加速度计；5-质量调谐阻尼器。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步的详细说明
本发明设备主要包含三向加速度计，NI(National instrument)采集数据模块、质量调谐阻尼器5，计算机。软件包含NI(National instrument)模态分析模块，FEMtools模型更新模块，ANSYS软件。
在布置加速度过程中，最好在每个节点布置三向加速度计，而且布置的加速度计数量越多越好，至少布置5个。
在NI模态分析模块中，首先要根据结构设计图纸，主要根据梁的几何位置画出人行桥的模型，要求输入采集的加速度时程越多越好，至少要15个加速度时程，每个节点输入三向加速度时程。经过NExT-ERA方法可以得到运行过程中的人行桥前几阶的频率，阻尼比以及振型。
在得到人行桥工作状态的振动特性基础上，运用FEMtools软件对按照结构设计图纸建立的有限元模型进行模型更新，在更新过程中，目标函数取为前6阶振型的自振频率，阻尼比和振型相同，变量选择界面的弹性模量、活荷载、构件的截面尺寸。最后可以得到与运行状态下人行桥振动特性一致的有限元模型。
最后以模型更新后的有限元模型为基础，选取调谐质量阻尼器的数量以及每个质量块的质量以及弹簧刚度对减振效果进行优化，从而有效减小人行桥在各种荷载激励下的加速度反应，从而提高舒适度水平。
所述的方法有如下步骤：
步骤一：确定人行桥桥面板布置的三向加速度计的位置，在NI模态分析模块中依据设计图纸建立模型，在模型中相应位置输入采集到的加速度时程。
步骤二：采集既有人行桥在运行状态下的所有测点加速度数据，把所有的测点加速度时程数据输入NI模态分析模块中模型相应节点。识别出既有人行桥运行状态下的前几阶振动特性如自振频率，振型以及阻尼比。
步骤三：基于步骤二识别出来的前几阶模型特性，利用FEMtools软件进行模型更新(model updating),把按照结构设计图纸建立的有限元模型的结构构件几何参数和材料参数进行优化，使得修正后的有限元模型的动力特性和人行桥运行状态下的动力特性一致。
步骤四：在此更新后的有限元分析模型基础上，运用ANSYS软件，优化确定调谐质量阻尼器的个数以及位置，设计调谐质量阻尼器质量块的重量以及弹簧的刚度。
如图2所示，本发明首先要选取合适的三向加速度位置，人行桥桥面板三向加速度计的位置如图1所示，人行桥包括人行桥柱1、人行桥楼2、人行桥梁3。三向加速度计4的型号为PGB-300，用加速度计自带的胶水粘好，防止掉落，除了加速度计以外，还有加速度计自带的采集数据线以及数据采集模块。为提高精度，原则上布置的三向加速度计越多越好，本例选择中间的五个点，每个点都能同时测定X、Y、Z向的加速度。数据采集完毕，基于NI的模态分析模块，首先在软件平台依据结构设计图纸画出人行桥桥面梁的几何位置，输入相应测点的三向加速度时程，使用软件自带的NExT-Era模块直接计算出既有人行桥的前6阶振型，自振频率以及阻尼比。依据得到的既有人行桥的动力特性，在FEMtools软件里根据实际的结构设计图纸梁柱的截面建立有限元模型，在桥面板上布置好恒荷载以及活荷载。依据FEMtools更新的主要参数主要包括桥面梁截面尺寸，钢材的弹性模量，最后经过软件分析，根据FEMtools软件设定MAC值可以得到与运行中的既有人行桥一样动力特性的有限元模型。最后依据更新后的有限元模型，运用ansys软件一般的优化方法，确定调谐质量阻尼器的数量，参数以及位置。通过阻尼器的优化分析，可以更有效提高既有人行桥的舒适度。
综上所述，本发明的主要目的是通过既有人行桥工作模态振动试验，得到人行桥真实的振动特性如前几阶振型，自振频率以及阻尼。然后用FEMtool软件对分析模型进行更新，通过改变有限元模型的有关参数，使得有限元模型前几阶自振频率和振型与工作模态分析得到的前几阶自振频率和振型相同。在此基础上通过安装MTMD进行减震分析，按照此方法可以有效的减小人行桥的加速度峰值。本方法应用简单，能够在被测人行桥运行状态下检测模态参数，也不需要测量输入的激励信号，测量结果精度高，灵活性好。在此基础上，经过TMD的优化设计，减振效果好，有效提高人行桥的舒适度。
以上示意性地对本发明及其实施方式进行描述，该描述没有限制性，实际的结构不局限于此。所以，如果本领域的普通技术人员受其启示，在不脱离本发明创造宗旨的情况下，不经创造性的设计出与该方案相似的结构方式及实施例，均应属于本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种提高既有人行桥舒适度的方法，其特征在于：通过加速度计测量运行过程中的测点加速度来更新有限元模型，在此基础上优化质量调谐阻尼器的数量、参数以及位置，通过阻尼器的优化分析，提高既有人行桥的舒适度。
2.根据权利要求1所述的一种提高既有人行桥舒适度的方法，其特征在于：包括如下步骤：
步骤一：在人行桥布置三向加速度计，采集不同时段测点加速度时程；
步骤二：利用NI模态分析模块得到既有人行桥在运行状态下的动力特性；
步骤三：利用FEMtools软件根据NI模块的动力特性对既有人行桥进行模型更新；
步骤四：基于更新有限元模型，运用ANSYS软件对质量调谐阻尼器的数量、位置以及参数进行优化，使得人行桥在不同工况下的加速度符合舒适度要求，提高人行桥的舒适度。
3.根据权利要求2所述的一种提高既有人行桥舒适度的方法，其特征在于：所述步骤一，确定人行桥桥面板布置的三向加速度计的位置，在NI模态分析模块中依据设计图纸建立模型，在模型中相应位置输入采集到的加速度时程。
4.根据权利要求2所述的一种提高既有人行桥舒适度的方法，其特征在于：所述步骤二，采集既有人行桥在运行状态下的所有测点加速度数据，把所有的测点加速度时程数据输入NI模态分析模块中模型相应节点；识别出既有人行桥运行状态下的前几阶振动特性，包括自振频率、振型以及阻尼比。
5.根据权利要求2所述的一种提高既有人行桥舒适度的方法，其特征在于：所述步骤三，基于步骤二识别出来的前几阶模型特性，利用FEMtools软件进行模型更新，把按照结构设计图纸建立的有限元模型的结构构件几何参数和材料参数进行优化，使得修正后的有限元模型的动力特性和人行桥运行状态下的动力特性一致。
6.根据权利要求2所述的一种提高既有人行桥舒适度的方法，其特征在于：所述步骤四，在更新后的有限元分析模型基础上，运用ANSYS软件，优化确定调谐质量阻尼器的个数以及位置，设计调谐质量阻尼器质量块的重量以及弹簧的刚度。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN112069922A (zh) * 2020-08-18 2020-12-11 中铁大桥勘测设计院集团有限公司 一种景区人行桥行人流量监控方法及系统

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