某文藝中心鋼連廊人致振動舒適度試驗及評價

顧佳煒，鄧星河，劉為龍，胡建樹，沈玥俊，黃振華

(1.嘉興市秀湖發(fā)展投資集團有限公司，浙江 嘉興 314000；2.中建一局集團建設(shè)發(fā)展有限公司，北京 100102； 3.嘉興市秀洲區(qū)建設(shè)工程質(zhì)量安全管理服務(wù)中心，浙江 嘉興 314000)

0 引言

在滿足建筑功能的要求下，大型公共建筑結(jié)構(gòu)的安全性和舒適性日益引起人們的關(guān)注。而對于輕柔型的大跨結(jié)構(gòu)，由于自振頻率較低，人群在行走或跳躍時，產(chǎn)生的激振頻率往往與結(jié)構(gòu)自振頻率接近，導(dǎo)致大跨結(jié)構(gòu)振幅較大，因此，在人致振動作用下，往往造成來往人員的不舒適，急需對該類建筑物的舒適度開展研究。

婁宇等[1]在國內(nèi)外相關(guān)研究基礎(chǔ)上，提出了樓板振動的舒適度設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，并針對樓板振動的特點，對舒適度設(shè)計應(yīng)采用的荷載取值進行了詳細(xì)說明。折雄雄等[2]總結(jié)了部分大跨度樓蓋豎向振動舒適度的規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)。宋志剛[3]給出了人行走作用下樓板振動加速度響應(yīng)的簡易計算公式。陳剛等[4]分析了不同工況下單人、多人有序和隨機活動下，某大跨度鋼結(jié)構(gòu)連廊的振動特性和舒適度。都磊[5]以某美術(shù)館為背景，給出了考慮單人行走、跳躍的強迫共振模型及考慮人群活動隨機性的隨機振動模型。操禮林等[6]討論了人體質(zhì)量、人體剛度、人體阻尼及人行荷載等行人動力學(xué)參數(shù)對人行橋動力特性及人致振動響應(yīng)的影響規(guī)律。惠曉麗等[7]基于人-結(jié)構(gòu)耦合振動，對某鋼結(jié)構(gòu)連廊的人致振動舒適度進行評估，并對其產(chǎn)生的過量振動進行減振控制。羅敏杰等[8]在屋蓋結(jié)構(gòu)上布置調(diào)諧質(zhì)量阻尼器，并通過多點輸入計算屋蓋結(jié)構(gòu)的豎向加速度響應(yīng)。綜上，當(dāng)前學(xué)者針對建筑物的舒適度研究多以結(jié)構(gòu)關(guān)鍵點加速度響應(yīng)作為衡量指標(biāo)，當(dāng)最大加速度響應(yīng)值超過規(guī)范限值，則認(rèn)為其舒適度不滿足要求。

對于人群密度較大的文化藝術(shù)中心，鋼桁架連廊跨度大，人員密集時易產(chǎn)生樓面大幅振動，舒適度問題突出。因此，本文以嘉興文化藝術(shù)中心鋼桁連廊為對象，著重探究其人致振動舒適度問題。

1 工程背景

嘉興市文化藝術(shù)中心項目位于嘉興市秀洲工業(yè)區(qū)新塍路北側(cè)、秀洲大道西側(cè)，是以開展文化藝術(shù)活動為主要功能的公共建筑。本工程地上共有三棟主塔樓(美術(shù)館、劇場、圖書館)，主塔樓地上5層(夾層1層)，建筑高度28.75 m；地下1層，層高5.7 m。三棟塔樓間設(shè)置有大跨連廊，連廊采用鋼桁架結(jié)構(gòu)形式，每座連廊共布置縱橫11榀桁架，桁架最大跨度為36.3 m，高度4.85 m，采用焊接H型鋼截面，最大截面尺寸為H700×300×20×40，單榀重約32.5 t，材質(zhì)為Q345GJB，連廊桁架平面布置圖如圖1所示。

由于連廊結(jié)構(gòu)跨度較大，若結(jié)構(gòu)的第一自振頻率和人正常行走、跳躍的頻率接近，容易產(chǎn)生共振。盡管結(jié)構(gòu)的強度滿足要求，不會發(fā)生強度引起的破壞，但是因為結(jié)構(gòu)共振引起的加速度的振幅過大超過人體舒適度耐受極限，極易在人的心理上造成恐慌，因此，選擇其中一個連廊結(jié)構(gòu)進行動力特性現(xiàn)場振動測試。

2 鋼桁連廊動力特性測試與分析

2.1 鋼桁連廊動力特性分析測試方案

本次測試擬先根據(jù)動力特性測試確定結(jié)構(gòu)的自振頻率，求得連廊結(jié)構(gòu)豎向前幾階振型的阻尼比。本次測試動力特性時采用環(huán)境激勵，無額外加載。

為了準(zhǔn)確得到振型并保證測量精度，根據(jù)現(xiàn)場條件建立網(wǎng)格，網(wǎng)格的每個節(jié)點處布置一個測點，每個測點上放置一個拾振器，其中M02號測點為參考點，測點布置如圖2所示，所有測點均為豎向測點。

2.2 鋼桁連廊動力特性測試與分析結(jié)果對比

采取基于環(huán)境隨機激勵的模態(tài)參數(shù)識別方法進行動力特性參數(shù)測試，借助東華測試有限公司的DHDAS動態(tài)信號采集分析系統(tǒng)，對拾振器采集的連廊板豎向加速度時程數(shù)據(jù)進行模態(tài)參數(shù)識別。結(jié)構(gòu)前5階計算陣型如表1所示，結(jié)構(gòu)計算陣型圖如圖3所示。通過對測試數(shù)據(jù)分析，發(fā)現(xiàn)實測數(shù)據(jù)和計算模型在前3階陣型上有較好的吻合，結(jié)構(gòu)前3階實測陣型和計算陣型對比結(jié)果如表2所示，實測陣型分別如圖4所示。

表1 連廊豎向前五階周期理論值

根據(jù)測試結(jié)果可知：實測前3階頻率與計算頻率吻合較好，高階頻率吻合不太理想，可能的原因有：

1)高階頻率數(shù)值較大，人致振動產(chǎn)生的頻率不足以完全激發(fā)高階振型，可能會對實測值產(chǎn)生影響。

2)實際模型的構(gòu)件連接方式處理往往不能達到理論計算時假定的理想狀態(tài)，周邊各塔各層的裝飾材料、面層等尚未安裝到位。

3) 實測時周圍作為仍在進行，并且周圍環(huán)境的其他噪聲因素對結(jié)構(gòu)也有一定的影響。

3 鋼桁連廊人致振動舒適度試驗及評價

3.1 鋼桁連廊人致振動舒適度試驗方案

測試連廊動力響應(yīng)時采用人群行走荷載及小群人跳躍荷載。分別采用單人、五人、十人行走及奔跑，十人跳躍工況；其中，正常行走和奔跑振動頻率分別為1.7 Hz和3.0 Hz，跳躍頻率分別為1.6 Hz和2.4 Hz。測試過程中，行走的人員體重應(yīng)接近70 kg，領(lǐng)走人員熟悉節(jié)拍器的使用并經(jīng)過特定頻率行走訓(xùn)練，經(jīng)現(xiàn)場多次模擬訓(xùn)練和測試，確保能按照設(shè)定頻率進行共同行走。測試中，行走或奔跑路線如圖5(a)所示，小群人跳躍區(qū)域如圖5(b)所示。

表2 連廊豎向前三階周期理論值與實測值對比

人致振動響應(yīng)測試測點布置如圖6所示，因為現(xiàn)場條件，振動測試中的A01號測點刪去，共9個測點，其中藍(lán)色(實心圓)測點僅布置豎向加速度傳感器，紅色(空心圓)測點同時布置豎向和水平向加速度傳感器，水平向加速度傳感器用于確認(rèn)人群行走對水平向振動影響的大小。本次測試所采用的儀器主要包括加速度傳感器、節(jié)拍器、DH5922D動態(tài)信號采集分析系統(tǒng)、供電箱、節(jié)拍器等。

3.2 不同工況鋼桁連廊人致振動舒適度試驗結(jié)果對比

分別完成1.7 Hz,3.0 Hz頻率下單人行走和奔跑(縱向和橫向)， 5人行走和奔跑(縱向和橫向)， 10人行走和奔跑(縱向和橫向)， 1.6 Hz,2.4 Hz頻率下 10人跳躍共14個工況下的人致振動測試試驗，測試現(xiàn)場如圖7所示。得到測試人員的加速度曲線，由此得到各測點的動力響應(yīng)時程曲線。14個工況中，各測點人群激勵響應(yīng)測試結(jié)果匯總見表3，表中均方根、峰值及峰峰值含義如式(1)～式(3)所示。

(1)

(2)

(3)

表3 1人行走工況 mm/s2

3.3 鋼桁連廊人致振動舒適度評價

由表2～表6可知：除了10人3 Hz橫向行走和10人1.6 Hz跳躍時，測點3處的加速度值最大值超過JGJ/T 441—2019建筑樓蓋結(jié)構(gòu)振動舒適度技術(shù)規(guī)范規(guī)定的150 mm/s2的加速度限值外，其余各種工況下結(jié)構(gòu)的加速度值基本都能滿足規(guī)定。經(jīng)過分析，發(fā)現(xiàn)測點3的部分峰值超過限值。

1)通過對比3號點與4號點在橫向行走工況和跳躍工況下的響應(yīng)，普遍存在3號點數(shù)值大于4號點數(shù)值的現(xiàn)象，但需要注意，峰值點并非同一時刻產(chǎn)生。由于3號點和4號點處于板的中部，在各工況進行中，產(chǎn)生上述原因確有可能因為線路問題和人員質(zhì)量分布問題，導(dǎo)致3號點附近存在激勵距離過近，數(shù)值偏大的可能。且跳躍工況下，3號點方差極大，說明確有可能是局部時間段力過大所致。

表4 5人行走工況 mm/s2

表5 10人行走工況 mm/s2

表6 10人跳躍工況 mm/s2

2)3 Hz 10人行走工況，3號點加速值超限，且方差不大，確有可能存在舒適度問題。但考慮到10人3 Hz為10人隊列的高頻小跑，該工況產(chǎn)生的可能性較低，且只有3號點局部產(chǎn)生加速度超限的現(xiàn)象，總體仍可判定為滿足要求。

4 結(jié)論

本文對嘉興文化藝術(shù)中心空中鋼結(jié)構(gòu)連廊開展現(xiàn)場測試、數(shù)值計算和對比分析工作，得出如下結(jié)論：

1)實測前兩階頻率與計算頻率吻合較好，高階頻率誤差相對較大，根據(jù)現(xiàn)場測試與施工情況可能存在原因如下：a.高階頻率數(shù)值較大，人致振動產(chǎn)生的頻率不足以完全激發(fā)高階振型，可能會對實測值產(chǎn)生影響；b.結(jié)構(gòu)實測時，部分裝修工作尚未完成，數(shù)值計算中則按照荷載規(guī)范要求考慮樓蓋荷載，數(shù)值模擬與實際情況的樓面荷載并不完全相同；c.開展實測時，樓蓋周邊的施工仍在繼續(xù)，部分重型設(shè)施引起的持續(xù)振動以及其他高頻環(huán)境激勵給實測結(jié)果帶來一定的影響。2)現(xiàn)場測試表明：各工況下結(jié)構(gòu)的加速度響應(yīng)基本都能滿足JGJ/T 441—2019建筑樓蓋結(jié)構(gòu)振動舒適度技術(shù)規(guī)范規(guī)定的150 mm/s2的加速度限值。個別工況下的極少數(shù)點的加速度峰值超過限值，可能是由于現(xiàn)場測試時，受場地條件限制，測試人員跳躍距離拾振器過近，引起拾振器局部振動，導(dǎo)致其峰值相對偏高。3)建議后續(xù)開展有限元的人致振動分析，與實測值進行對比驗證，從數(shù)值模擬角度對比分析個別點位振動超限的問題。