郭 暉，安 毅，程 欣，雷宏剛

(太原理工大學 土木工程學院，太原 030024)

相對于以上研究使用的數(shù)值模擬方法，現(xiàn)場實測是研究鋼結構站房振動響應機理的第一手資料，其結果更加符合結構響應的實際情況。賀玉龍等[5]對列車高速通過渭南北站站房產(chǎn)生的結構振動進行實測，未針對站房存在更為復雜的實際工況進行研究。馬斐等[6]分析西安北站樓蓋在環(huán)境激勵、列車進出站、人群檢票等工況下樓蓋實測振動響應，發(fā)現(xiàn)上述工況均不會產(chǎn)生人舒適度的問題。

本文基于太原南站鋼結構站房健康監(jiān)測系統(tǒng)，對站房結構在環(huán)境激勵、列車進出站、列車過站、人群檢票進站、現(xiàn)場施工等工況下結構的振動響應進行實測，并對不同荷載激勵下結構振動的幅值響應和舒適度進行評價。

1 現(xiàn)場實測概況

1.1 太原南站鋼結構站房概況

太原南站站房整體采用鋼結構體系，建筑面積約63 124 m2，用鋼量超過3.48萬t.主站房從下到上依次為出站廳層(負一層)、站臺層(一層)、高架侯車廳層(二層)及商業(yè)夾層(局部三層，位于站房南、北兩側)。屋蓋總水平投影尺寸為372.46 m(垂直軌道方向)×225.912 m(順軌道方向)，從西往東分別劃分為A區(qū)，B區(qū)和C區(qū)，B區(qū)又分為B1和B2區(qū)，屋蓋中間設有溫度變形縫。A區(qū)和C區(qū)的屋頂標高為30.80 m，B區(qū)的屋頂標高為35.60 m.站房垂直于軌道方向(東、西向)，剖面見圖1.屋蓋由48個(東西向8個，南北向6個)“傘”單元鋼結構組成。兩榀主桁架與X形變截面鋼柱構成主要受力體系見圖2.兩主桁架為平面呈X形對稱的單側懸挑結構，懸挑長度約為28 m.圖3為站房平面圖。

圖1 東西向剖面圖

圖2 單個“傘”單元屋蓋結構

吳少偉[7]通過Midas有限元分析軟件對太原南站站房進行整體建模，得到了站房前30階自振周期、頻率和X向與Y向振型參與質量。保證豎向振型參與質量至少達到總參與質量的90%，在此模型基礎上得到前90階模態(tài)自振周期、頻率，并通過與不同振型的位移方向對應參與質量對比，篩選出結構發(fā)生明顯豎向振動的模態(tài)自振頻率等參數(shù)列于表1.結構豎向參與質量高的模態(tài)主要為前9階、12階、20階和21階，對應的頻率分別為2.95～4.01 Hz、4.30Hz、22.37 Hz和40.29 Hz；其中模態(tài)1至9階自振頻率分布密集，而模態(tài)10～19階模態(tài)自振頻率分布較離散。

圖3 站房平面圖

表1 豎向自振頻率、周期及參與質量

1.2 儀器與工況介紹

實測基于太原南站鋼結構站房健康監(jiān)測系統(tǒng)中的結構振動監(jiān)測內容。圖4表示監(jiān)測系統(tǒng)方案的完整流程。本文實測內容屬于結構振動分析模塊，將18個DH5907K采集模塊安裝于A、B1、B2及C區(qū)不同區(qū)域的主桁架懸挑端及柱頂端，將不同位置加速度傳感器所采集的X，Y，Z三向振動信號，通過DH5907K控制器轉變成便于遠距離傳輸?shù)臄?shù)字信號后，再通過單模光纖通道傳輸至服務器中DHDAS信號測試分析軟件進行實時顯示和數(shù)據(jù)保存。其中14個采集模塊布置在柱伸出主桁架的頂端，位于結構的低階振型節(jié)點；4個采集模塊布置在X形柱頂，位于結構的高階振型節(jié)點，具體位置及編號見圖5.采集模塊靈敏度為0.3 V·s2/m，采樣頻率范圍0.25～80 Hz，預設為50 Hz.

由于高鐵站房周圍長期存在環(huán)境噪聲、周邊交通等環(huán)境激勵，同時其振動響應還會疊加列車進出站、檢票以及施工等高頻次短持時工況，具有振源多、振動響應特性復雜的特點。為考察各種荷載激勵下的不同振動特性，本文按激勵源的不同將工況具體分為：1) 環(huán)境振動；2) 列車進站、出站及過站；3) 人群檢票；4) 施工設備激勵。

圖4 健康監(jiān)測方案流程圖

2 振動評價指標

近年來國內外相關組織機構紛紛制定了關于建筑振動評價標準。一般認為，建筑產(chǎn)生顯著振動會引起人的不舒適、干擾設備正常工作及造成建筑構件損傷累積，各國規(guī)范規(guī)定建筑振動不得超出人體能夠容忍的范圍。其中英國規(guī)范(BS5400)[8]、德國規(guī)范(EN03)[9]、歐洲規(guī)范(EN1990)[10]僅規(guī)定了人行橋設計的豎向峰值加速度限值；而美國(AISC-Ⅱ)[11]標準規(guī)定了不同使用環(huán)境下的豎向加速度限值。

(3) 試驗初期，排水管壁面積的大小會影響土體梯度比Gr值下降速度。與小直徑排水管壁試樣相比，在大直徑試樣條件下，礫質黏性土下降速度變緩的時間比小直徑試樣早3 h，砂質黏性土早3 h，粉質黏性土早1 h。梯度比下降速度大小為：大直徑排水管壁試樣>小直徑排水管壁試樣。

圖5 加速度傳感器位置及編號

胡皓宇等[12]總結了國內標準和規(guī)范包括《人體全身振動暴露的舒適性降低界限和評價準則》[13]《城市區(qū)域環(huán)境振動標準》[14]《住宅建筑室內振動限值及其測量方法標準》[15]等，主要的振動評價量分別為分頻振動評價量和總振動評價量。然而國內規(guī)范所采用的方法對采樣環(huán)境、采樣點位置均有特殊要求，且要求連續(xù)采集時間不少于1 000 s，而高鐵站房的工況往往具有高頻次短持時的特點，采樣時間過長不利于理清在各種工況下建筑結構的振動特性。

國際上另一種通用的方法是計算響應時程的均方根值(RMS)，與規(guī)范限值進行對比來評價振動舒適度。但此方法僅能得到某一加速度響應樣本的唯一RMS值，無法詳細地描述舒適度指標隨時間變化的波動情況。據(jù)此，馬斐等[6]提出等效正弦峰值加速度(equivalent sinusoidal peak acceleration，ESPA)的舒適度評價方法，首先將樣本長時程響應分割成中心為t0，長度為τ的多個短時程響應樣本，對于每段短時程樣本，計算均方根值a(t0)如式(1)所示。

(1)

3 不同工況測試結果

3.1 環(huán)境振動工況測試

選取3次環(huán)境振動下各測點豎向加速度值為樣本，時長取60 s，取樣本時程最大值及aESP最大值(這里最大值為時程絕對值的最大值，下同)。由于篇幅所限，部分測點測試結果見表2，圖6為測次1時L1測點和Z1測點加速度時程及功率譜結果。

表2 環(huán)境激勵測試結果

從表2可以看出，主桁架頂端加速度最大峰值為2.67 mm/s2，加速度峰值從跨中向兩側遞減，平均值均不超過3 mm/s2；柱頂加速度最大峰值為0.81 mm/s2，遠小于主桁架懸挑頂端的豎向加速度，由此可見環(huán)境激勵下結構產(chǎn)生豎向振動較小。

觀察圖6可知，環(huán)境激勵下結構ESPA曲線波動較小，整體振動較為平穩(wěn)，主桁架頂端功率譜峰值在2.5 Hz至5 Hz分布密集，卓越頻率為3.682 Hz，與有限元7階豎向自振頻率相近；柱頂功率譜峰值為3.06 Hz，8.114 Hz，10.380 Hz，分別與有限元2，17，18階豎向自振頻率相近，卓越頻率峰值較小，因此可以認為環(huán)境激勵對其他工況下建筑振動的實測結果影響有限，可忽略不計。

3.2 列車工況測試

本工況下列車進站、出站的樣本分別來自于：G627次列車從進入站房區(qū)域開始到完全停止；G627次列車從開始啟動到完全駛出站房，兩者均耗時1 min.G2622次列車從開始駛入站房到完全駛出站房結束，耗時30 s，定義為過站工況。上述列車運行軌道位置均在C、E軸線間，選取主桁架端加速度傳感器實測樣本，分析數(shù)據(jù)得到各測點豎向加速度時程及功率譜。表3為列車激勵測試結果，圖7、8分別為跨中L8測點3種工況下加速度響應時程圖及功率譜圖。

表3 列車激勵測試結果

從表3可以發(fā)現(xiàn)，站房在列車3種工況下加速度最大值分別為17.08，12.15，56.45 mm/s2，ESPA最大值分別為9.87，7.80，21.69 mm/s2，加速度響應及ESPA曲線最大值均表現(xiàn)出從跨中向兩側遞減的趨勢。圖7加速度時程圖中列車進站、出站加速度響應都經(jīng)歷低-高-低的變化過程，ESPA曲線變化平緩；而列車過站加速度響應經(jīng)歷多次低-高-低的變化過程，ESPA曲線起伏程度大。

列車通過站房軌道層速度快，激勵遠大于列車進站和出站，傳遞至主桁架端加速度響應明顯大于其他兩種工況；列車進站伴有減速剎車過程，激勵大于列車出站工況，傳遞至主桁架端加速度響應大于列車出站工況。ESPA曲線最大值均小于美國規(guī)范中0.015g即147 mm/s2限值，故三種工況均不會引起人體舒適度問題。

由于列車激勵不可測，本文通過查閱文獻尋找計算方法，根據(jù)列車時速和車廂長度，計算出實際列車輪的軸重加載頻率。圖8加速度功率譜中列車荷載激勵下結構豎向加速度響應與加載頻率呈倍頻關系。列車進站、出站最大速度約為140 km/h，車廂長度24.7 m，軸重加載頻率fv1=v1/lv=1.57 Hz；列車過站速度約為300 km/h，軸重加載頻率fv2=v2/lv=3.37 Hz.結構第3階、15階豎向自振頻率分別為3.29，6.11 Hz，與列車進站、出站工況軸重加載頻率的2倍頻2fv1=3.14 Hz、4倍頻4fv1=6.28 Hz接近，對應圖中功率譜峰值分別為3.582 Hz，6.598 Hz和3.399 Hz，6.431 Hz；結構第3階豎向自振頻率與列車過站軸重加載頻率的1倍頻fv2=3.37 Hz接近，對應圖中功率譜峰值3.131 Hz.列車過站、進站、出站功率譜的卓越頻率均在3.2 Hz左右，峰值大小依次降低。

圖7 L8三種工況加速度響應時程

圖8 L8三種工況加速度響應功率譜

3.3 人群工況測試

乘客檢票進站時，旅客在檢票口排成3～4列隊伍向檢票口移動，人群密度高，移動速度緩慢。采集A9、B9檢票口(D、E軸線內)旅客檢票進站時主桁架端L5-L8測點加速度響應數(shù)據(jù)，樣本時長取100 s，結果見表4.圖9為測點L7豎向加速度時程及對應功率譜。

由表4結果可知，站房在3次人群檢票工況測試中加速度最大值為19.78 mm/s2，ESPA曲線最大值為11.50 mm/s2，均小于美國規(guī)范限值。從圖8(a)加速度時程圖可以發(fā)現(xiàn)從檢票排隊開始人群逐漸密集，加速度響應逐漸增大；隨著旅客逐漸通過檢票口人群密度降低，加速度響應逐漸減小。研究發(fā)現(xiàn)密集人群步行1倍頻約為1.6 Hz[16]，與圖8(b)加速度功率譜峰1.616 Hz接近；人群步行2階倍頻率約為3.2 Hz[16]，與測點位置基頻3.319 Hz接近。卓越頻率峰值0.76 mm2/s3較小。

表4 人群檢票進站激勵測試結果

圖9 L7人群檢票激勵加速度時程及功率譜

由此可見乘客在檢票進站過程中雖然人群密集步頻同步性高，但由于移動緩慢，行走空間受限，且荷載傳遞存在衰減，因此人群檢票工況下結構振動滿足舒適度要求。

3.4 施工工況測試

站房東廣場在14:00-16:00時段內處于施工階段，電機設備激勵加載至站房結構同樣會引起振動。不同于列車荷載和人群荷載，施工工況荷載主要為10 Hz以上窄帶高頻激勵。4個柱頂端加速度傳感器位于結構高階振型節(jié)點，采集3次不同施工時段內的4個柱頂端豎向振動響應作為實測樣本，結果見表5.圖10、11分別為Z1加速度響應時程及功率譜圖。

表5 施工工況激勵測試結果

圖10 Z1施工工況加速度響應時程

從表5發(fā)現(xiàn)，豎向振動加速度響應的最大值出現(xiàn)在靠近振源Z1測點，隨著距離增加響應逐漸減小。3次施工加載下加速度響應最大值為17.63 mm/s2，ESPA曲線最大值為16.12 mm/s2，均小于美國規(guī)范限值。從圖10看出加速度響應幅值在短時間內波動顯著，aESP曲線接近加速度時程包絡線，能更好地反映幅值變化規(guī)律。圖11表明3次施工加載頻率在10 Hz以上，激勵引起結構豎向振動，其卓越頻率分別為14.86 Hz，14.49 Hz，16.06 Hz.

圖11 Z1施工工況加速度響應功率譜

4 結論

針對太原南站鋼結構站房在多種工況下的加速度響應進行分析，得出以下結論：

1) 在列車過站、進站、出站工況下，鋼結構站房加速響應峰值依次減小，在相應工況下各測點相應從跨中向兩側遞減；列車荷載激勵下結構豎向加速度響應與加載頻率呈倍頻關系，響應的卓越頻率在3 Hz與6 Hz附近。

2) 在人群檢票工況下，鋼結構站房由于旅客進站步速低，行走空間有限，結構加速度響應較??；人群步頻的1倍頻與2倍頻易激起結構豎向振動。

3) 在施工荷載激勵下，鋼結構站房響應的卓越頻率峰值較高，其響應的卓越頻率在14～16 Hz附近。

4) 上述荷載工況下結構加速度響應極值及ESPA峰值均小于美國規(guī)范限值，滿足舒適度標準。

5) 美國規(guī)范中僅以加速度響應時程極值作為評價指標會高估結構振動響應對人體舒適度的影響，而ESPA曲線能較好反映加速度幅值的變化趨勢，進而有效地評價人體舒適度水平。