黃北平

(中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司技術(shù)中心,武漢 430063)

1 概述

近年來,隨著我國鐵路的快速發(fā)展,鐵路旅客站房建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)和要求也在不斷的提高。其站房的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)也是多種多樣,大跨度、鋼結(jié)構(gòu)、橋建合一等結(jié)構(gòu)類型和形式,已在鐵路旅客站房建設(shè)中較多地采用。因此,以往結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)不受關(guān)注的一詞“舒適度”,倍受工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員的關(guān)注。在鐵路旅客站房設(shè)計(jì)中,建筑物在各類不同荷載作用下將產(chǎn)生振動(dòng),而過大的振動(dòng)會(huì)使在候車廳內(nèi)的候車旅客感覺不舒適。如何考慮和解決這一技術(shù)問題,考慮到國內(nèi)建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范在這方面沒有明確的規(guī)定,國外在這方面研究雖然多年,也發(fā)布了相關(guān)的設(shè)計(jì)指南,但各國的計(jì)算方法并不一致,相互之間存在明顯的差異。

某鐵路旅客站房工程主體為框架結(jié)構(gòu),B區(qū)高程8.15m樓面為雙向鋼-混凝土組合梁樓面,區(qū)域 70.2 m×30m,混凝土板支承在雙向井式(3m×3m)鋼梁上,組合梁采用箱形截面和工字形截面,鋼材為 Q345;混凝土板強(qiáng)度 C30,板厚 120mm。樓面結(jié)構(gòu)平面布置見圖1。

圖1 樓面結(jié)構(gòu)平面布置(單位:mm)

由于該區(qū)域?yàn)橹胁靠v橫向跨度較大,為使旅客有一個(gè)良好候車環(huán)境,計(jì)算分析結(jié)果表明,結(jié)構(gòu)豎向自振頻率約為 3.1Hz,僅與《城市人行天橋與人行地道技術(shù)規(guī)范》(CJJ69—95)第 2.5.4條“為避免共振,減少行人不安全感,天橋上部結(jié)構(gòu)豎向自振頻率不應(yīng)小于3Hz?！币蟮念l率接近。為進(jìn)一步分析結(jié)構(gòu)樓面豎向振動(dòng)舒適度,針對該區(qū)域樓面豎向振動(dòng)舒適度水平進(jìn)行專項(xiàng)研究。并主要通過對其豎向加速度峰值及進(jìn)度豎向振動(dòng)加速度譜分析。

2 標(biāo)準(zhǔn)及評價(jià)指標(biāo)

人對樓板振動(dòng)的反應(yīng)與樓面振動(dòng)的大小與持續(xù)時(shí)間、人所處環(huán)境,以及人自身的活動(dòng)狀態(tài)和心理反應(yīng)都有關(guān)系。對豎向振動(dòng)舒適度評價(jià),國內(nèi)外相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)逐漸傾向于以峰值加速度為控制指標(biāo),如《Floor Vibrations Due to Human Activities》(AISC-11)和 《Minimizing Floor Vibration》(AT CDesign Guide1)等。對樓面結(jié)構(gòu)豎向振動(dòng)舒適度要求進(jìn)行評價(jià),根據(jù) ATC要求,行走時(shí)舒適度豎向加速度推薦限值見表1,節(jié)律運(yùn)動(dòng)時(shí)豎向加速度推薦限值見表2。

表1 ATC推薦的行走引起的振動(dòng)加速度限值

表2 ATC推薦的節(jié)律運(yùn)動(dòng)引起的振動(dòng)加速度限值

樓面振動(dòng)對人的影響一般可以采用峰值加速度來衡量,而不同的環(huán)境、不同人對其振動(dòng)的敏感程度也有所不同,對于火車站候車廳,在正常候車的狀態(tài)下,豎向振動(dòng)舒適度的峰值加速度可參照“商場”環(huán)境限值;當(dāng)有局部人群進(jìn)行跳躍或跑動(dòng)時(shí),舒適度的峰值加速度可參考“宴會(huì)、舉重”活動(dòng)限值。

3 現(xiàn)場檢測

3.1 測試方法

用拾振器記錄人在樓面行走、跳、跑等動(dòng)作及候車引起的樓面豎向加速度。對樓蓋在正常候車時(shí)的樓面舒適度測量,將傳感器布設(shè)于整個(gè)區(qū)域典型梁相交處;對局部樓板,測試模擬人走、跑等活動(dòng),測量活動(dòng)對局部板塊的動(dòng)態(tài)加速度。現(xiàn)場布設(shè) 6只 941B型拾振器,拾振器考慮 2種布置方式,見圖2。

圖2 豎向振動(dòng)舒適度測點(diǎn)布置方案(單位:mm)

測量儀器采用 941B型拾振器、941信號調(diào)節(jié)器和Dasp信號采集分析系統(tǒng)。941B型拾振器采用無源閉環(huán)伺服技術(shù),可以獲得良好的超低頻特性,可用于地面和結(jié)構(gòu)物的脈動(dòng)測量,同時(shí)也可滿足一般結(jié)構(gòu)物的工業(yè)振動(dòng)測量。拾振器設(shè)有加速度、小速度、中速度、大速度 4檔。放大器具有放大、積分、濾波和阻抗變換的功能。根據(jù)需要,可選取拾振器上微型撥動(dòng)開關(guān)及放大器上參數(shù)選擇開關(guān)相應(yīng)的檔位,提供測點(diǎn)的加速度、速度或位移參量。其具有體積小、質(zhì)量輕、使用方便、分辨率高、動(dòng)態(tài)范圍大及一機(jī)多用的特點(diǎn),可直接與各種記錄器及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)配接。

3.2 不同活動(dòng)工況的研究

根據(jù)鐵路旅客站房候車廳樓面在不同使用期間的旅客動(dòng)力特性,通過測量該站在春運(yùn)期間樓蓋結(jié)構(gòu)在使用期間的動(dòng)力特性,在正常使用狀況下候車人群(密集人群候車)、適當(dāng)有序人流(檢票進(jìn)站)及以上兩種工況有列車通過時(shí)的加速度響應(yīng)。

在局部區(qū)域模擬走、跑、跳等工況條件,測試在使用環(huán)境中進(jìn)行此類活動(dòng)對樓蓋局部板塊上的加速度響應(yīng),人慢走加速度響應(yīng)與正常候車時(shí)基本一致,跳、跑作用下,測試時(shí)單人體重 78kg,3人體重 235kg(62kg+78kg+95kg)。

3.3 測試結(jié)果

在候車過程中,整體區(qū)域梁相交位置處測得,最大豎向峰值加速度為 79.9mm/s2(0.81%g),對應(yīng)工況為列車過站時(shí)振動(dòng)豎向加速度響應(yīng)值。

在活動(dòng)引起局部區(qū)域振動(dòng),測得 3人活動(dòng)最大豎向峰值加速度為 150.8mm/s2(1.54%g);測點(diǎn)加速度幅值由板跨中向兩正交板跨方向中逐漸衰減。

通過測試整體樓面振動(dòng)特性,在測試區(qū)間樓面豎向振動(dòng)基本頻率為 3.3～3.4Hz,阻尼比約 3.6%,測試信號自譜圖見圖3和圖4。

圖3 測點(diǎn) 2自譜圖

圖4 測點(diǎn) 3自譜圖

上述測試結(jié)果表明:該區(qū)在候車活動(dòng)下,候車室豎向振動(dòng)舒適度滿足《Minimizing Floor Vibration》(ATC Design Guide 1)推薦限值要求。

4 結(jié)語

對于大跨度、鋼結(jié)構(gòu)樓面而言,設(shè)計(jì)時(shí)除強(qiáng)度與變形滿足規(guī)范要求外,樓面結(jié)構(gòu)的舒適度有可能不滿足人們對使用的要求。對大跨度候車廳樓面結(jié)構(gòu)振動(dòng)的理論分析和試驗(yàn)證明,樓面的動(dòng)力特性(自振頻率、振型、阻尼比)對于樓面在列車通過及步行激勵(lì)荷載作用下的響應(yīng)較大,不僅在設(shè)計(jì)過程中應(yīng)認(rèn)真分析這一工況的舒適度要求,建議盡可能進(jìn)行現(xiàn)場測試并做好減振方案。

[1] GB50017— 2003,鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[2] CJJ69—95,城市人行天橋與人行地道技術(shù)規(guī)范[S].

[3] ATC Design Guide 1,Minim izing Floor V ibration[S].

[4] 中國建筑科學(xué)研究院建筑結(jié)構(gòu)研究所.西站房豎向振動(dòng)舒適度測試報(bào)告[R].北京:2008.

[5] 中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司.武昌站大跨度鋼-混凝土組合梁樓蓋應(yīng)用研究[R].武漢:2008.