第 48 卷 第 6 期 2 1 6 年 6 月 哈 尔 滨 工 业 大 学 学 报 JOURNAL OF HARBIN INSTITUTE OF TECHNOLOGY Vol 48 No 6 Jun. 216 doi:1.11918 / j.issn.367 6234.216.6.1 大 跨 度 楼 盖 结 构 在 运 动 荷 载 下 的 振 动 性 能 杨 维 国 1, 马 伯 涛 2, 宋 毛 毛 2, 王 树 2, 孙 新 阳 1, 王 萌 1 2, 葛 家 琪 (1. 北 京 交 通 大 学 土 木 建 筑 工 程 学 院, 144 北 京 ;2. 中 国 航 空 规 划 设 计 研 究 总 院 有 限 公 司, 112 北 京 ) 摘 要 : 为 研 究 人 员 运 动 荷 载 下 大 跨 度 楼 盖 的 振 动 特 性, 以 内 蒙 古 伊 旗 全 民 健 身 体 育 中 心 大 跨 度 张 弦 梁 楼 盖 体 系 为 背 景, 采 用 生 物 力 学 测 力 平 台 进 行 人 员 行 走 跑 步 跳 跃 起 立 等 运 动 荷 载 实 测 和 相 关 分 析 研 究. 考 虑 可 能 出 现 的 各 种 运 动 荷 载 工 况, 对 大 跨 度 张 弦 梁 楼 盖 区 振 动 开 展 分 析 和 现 场 实 测. 分 析 表 明 : 行 走 跑 步 及 跳 跃 荷 载 工 况 下, 人 员 动 力 放 大 系 数 分 别 约 为 1.2 2.4 及 4.9, 大 跨 度 楼 盖 在 人 员 运 动 荷 载 数 值 模 型 激 励 下, 所 得 分 析 结 果 与 现 场 实 测 竖 向 加 速 度 峰 值 及 理 论 计 算 值 吻 合 较 好. 关 键 词 : 大 跨 度 钢 结 构 ; 楼 盖 ; 人 员 运 动 荷 载 ; 振 动 ; 分 析 中 图 分 类 号 : TU393.3; TU311.3 文 献 标 志 码 : A 文 章 编 号 : 367-6234(216)6-64-6 Vibration characteristic of large span floor structure under moving load YANG Weiguo 1, MA Botao 2, SONG Maomao 2, WANG Shu 2, SUN Xinyang 1, WANG Meng 1, GE Jiaqi 2 (1.School of Civil Engineering, Beijing Jiaotong University, 144 Beijing, China; 2.China Aviation Planning and Design Institute Co., Ltd.,112 Beijing, China) Abstract: To explore vibration characteristic of large span floor structure under moving load, based on the large span beam string floor structure of the National Fitness Center in Ejin Horo Banner, Inner Mongolia, the loading measurement and analysis of walking, running, jumping and standing up were conducted by using biomechanical force measuring platform. Considering all kinds of possible load condition, the finite element analysis ( FEA) and field measurement were performed for vibration of large span beam string structure floor area. The results show that the dynamic magnification factor of walking, running and jumping is 1.2, 2.4 and 4.9 respectively. The FEA results of large span floor vertical acceleration induced by pedestrian load excitation are in good agreement with field measurement results and theoretical calculation values. Keywords: large span steel structure; floor; pedestrian load; vibration; finite element analysis 近 年 来, 多 层 大 跨 度 空 间 结 构 在 工 程 中 得 到 广 泛 应 用, 大 跨 楼 盖 结 构 不 断 涌 现. 随 着 楼 盖 跨 度 的 增 大, 其 竖 向 自 振 频 率 将 会 降 低, 一 般 大 跨 度 楼 层 钢 结 构 的 竖 向 自 振 频 率 不 超 过 3 Hz. 当 结 构 自 振 频 率 与 人 步 行 或 其 他 运 动 频 率 接 近 时, 人 员 易 与 楼 层 结 构 发 生 共 振 [1-2], 致 使 楼 层 结 构 竖 向 振 动 超 出 人 能 够 接 受 的 程 度 [3-5]. 在 大 跨 空 间 结 构 楼 盖 上 设 置 运 动 比 赛 场, 如 果 楼 盖 振 动 超 标, 会 影 响 观 众 的 舒 适 度 和 运 收 稿 日 期 : 215-5-5. 基 金 项 目 : 国 家 自 然 科 学 基 金 (5157846,5117841); 中 国 航 空 规 划 设 计 研 究 总 院 有 限 公 司 资 助 项 目 ( 技 13 研 -51). 作 者 简 介 : 杨 维 国 (1973 ), 男, 教 授, 博 士 生 导 师. 通 信 作 者 : 杨 维 国, wg_yang@ 263.net. 动 员 水 平 的 正 常 发 挥. 考 虑 到 结 构 楼 盖 系 统 建 成 后 若 发 生 舒 适 度 超 标 问 题, 事 后 修 补 的 技 术 难 度 高 成 本 大. 因 此 大 跨 度 楼 盖 结 构 在 设 计 时 应 充 分 考 虑 其 在 人 行 荷 载 作 用 下 的 振 动 舒 适 度 问 题 [6]. 本 文 在 对 人 员 运 动 荷 载 进 行 现 场 实 测 的 基 础 上, 得 到 包 括 人 行 走 跑 步 跳 跃 等 工 况 下 的 建 议 设 计 荷 载 模 型. 针 对 内 蒙 古 伊 金 霍 洛 旗 全 民 健 身 体 育 活 动 中 心 工 程, 对 其 大 跨 度 楼 盖 区 运 动 人 员 激 励 下 的 振 动 进 行 现 场 实 测 ; 同 时 利 用 ANSYS 进 行 分 析, 对 比 分 析 与 实 测 结 果, 验 证 人 员 运 动 荷 载 模 型 和 楼 盖 结 构 模 型 的 正 确 性, 明 确 了 大 跨 度 楼 盖 区 在 人 行 荷 载 作 用 下 的 动 力 特 性, 研 究 流 程 见 图 1.
第 6 期 杨 维 国, 等 : 大 跨 度 楼 盖 结 构 在 运 动 荷 载 下 的 振 动 性 能 65 规 范 预 测 伊 旗 活 动 中 心 楼 盖 振 动 峰 值 加 速 度 1 工 程 概 况 人 员 运 动 荷 载 测 试 人 员 荷 载 数 值 模 拟 分 析 楼 盖 自 振 特 性 及 人 员 荷 载 下 伊 旗 活 动 中 心 加 速 度 响 应 计 算 伊 旗 活 动 中 心 舒 适 度 预 测 及 评 价 图 1 研 究 流 程 图 现 场 实 测 楼 盖 自 振 特 性 及 人 员 荷 载 下 伊 旗 活 动 中 心 加 速 度 响 应 实 测 内 蒙 古 伊 金 霍 洛 旗 全 民 健 身 体 育 活 动 中 心 工 程 总 高 度 约 3 m, 结 构 外 形 总 体 呈 下 部 楼 层 收 进 上 部 大 悬 挑 形 状, 地 下 设 置 游 泳 池, 游 泳 池 正 上 方 为 运 动 场, 用 于 篮 球 比 赛 和 羽 毛 球 比 赛 等 ; 该 层 选 择 了 大 跨 度 张 弦 梁 体 系 作 为 楼 盖 体 系, 短 向 跨 度 约 4 m; 本 层 平 面 形 状 为 正 八 边 形, 最 大 尺 寸 为 89 m 89 m, 结 构 内 部 设 置 运 动 场 及 看 台, 室 内 篮 球 场 在 张 弦 梁 楼 盖 正 上 方. 设 计 人 员 需 充 分 考 虑 张 悬 梁 楼 盖 在 人 员 运 动 激 励 下 的 振 动 舒 适 度 问 题. 2 人 员 运 动 荷 载 实 测 人 员 运 动 荷 载 是 建 筑 物 设 计 尤 其 是 建 筑 物 动 力 分 析 的 主 要 荷 载 输 入. 为 明 确 人 员 运 动 荷 载 的 特 征 参 数, 进 行 了 单 人 运 动 室 内 测 试, 以 测 定 各 种 运 动 下 典 型 的 荷 载 特 征. 在 国 家 体 育 总 局 体 育 科 学 研 究 所 进 行 了 人 员 运 动 荷 载 实 测 和 相 关 分 析 研 究, 主 要 有 行 走 跑 步 跳 跃 及 起 立 等 动 作 下 的 荷 载 测 试. 采 用 德 国 KISTLER 公 司 生 产 的 9281C 型 多 分 量 生 物 力 学 测 力 平 台, 见 图 2. 连 接 器 9 X Y Z 4 6 9423 型 安 装 框 24 5 4 1 图 2 9281C 型 多 分 量 生 物 力 学 测 力 平 台 尺 寸 (mm) 2.1 测 试 参 数 及 工 况 由 于 主 要 关 注 受 试 人 员 对 地 板 的 竖 向 力, 故 只 分 析 各 测 次 中 的 竖 向 数 据. 同 时, 为 避 免 受 试 者 体 重 对 测 试 结 果 的 影 响, 分 析 中 以 竖 向 力 与 其 体 重 的 比 值 这 一 无 量 纲 数 作 为 研 究 对 象. 测 试 中, 慢 走 中 速 走 快 走 慢 跑 中 速 跑 快 跑 工 况 的 采 样 频 率 设 为 5 Hz; 全 力 跳 起 持 续 跳 起 跳 远 正 常 站 起 快 速 站 起 6 cm 高 跳 下 工 况 的 采 样 频 率 设 为 1 Hz. 将 上 述 12 种 工 况 归 纳 为 4 类 进 行 研 究 : 1) 行 走 工 况 : 慢 走 ( 步 频 1. 87 Hz; 速 度 1.35 m / s) 中 速 走 ( 步 频 2.13 Hz; 速 度 1.65 m / s) 及 快 走 ( 步 频 2.43 Hz; 速 度 2. m / s); 2) 跑 步 工 况 : 慢 跑 ( 步 频 2. 8 Hz; 速 度 2.5 m / s) 中 速 跑 ( 步 频 3.1 Hz; 速 度 3.5 m / s) 及 快 跑 ( 步 频 3.52 Hz; 速 度 4.5 m / s); 3) 跳 跃 工 况 : 全 力 跳 起 持 续 跳 跃 及 跳 远 ; 4) 站 起 及 跳 下 工 况 : 正 常 站 快 速 站 起 及 6 cm 高 跳 下. 2.2 实 测 结 论 与 建 议 参 与 测 试 的 人 员 包 括 来 自 北 京 交 通 大 学 中 国 航 空 规 划 设 计 研 究 总 院 有 限 公 司 和 国 家 体 育 总 局 体 育 科 学 研 究 所 的 工 作 人 员, 共 8 人, 基 本 情 况 见 表 1. 表 1 受 试 人 员 基 本 情 况 序 号 性 别 年 龄 身 高 / cm 体 重 / kg 1 男 4 181 118.5 2 男 53 175 92.9 3 男 39 178 8. 4 男 3 172 76.2 5 男 26 173 65.8 6 男 3 173 62.7 7 女 24 163 55.4 8 女 32 16 54.5 经 测 试, 各 种 工 况 下 人 员 运 动 荷 载 特 征 参 数 为 : 1) 行 走 工 况 下 荷 载 模 式 及 参 数 建 议 见 图 3 和 表 2. 其 中 k 为 作 用 力 与 体 重 的 比 值 [7] ;A 点 为 单 脚 落 地 时 间, 即 时 间 起 点 ;B C D 点 为 作 用 力 极 值 点, B D 点 为 极 大 值 点,C 点 为 极 小 值 点 ;E 点 为 单 脚 离 地 时 间, 即 时 间 终 点. 2) 跑 步 工 况 荷 载 模 式 及 参 数 建 议 见 图 4 和 表 3. 其 中 k 为 作 用 力 与 体 重 的 比 值 ;A 点 为 单 脚 落 地 时 间, 即 时 间 起 点 ;B 点 为 作 用 力 极 值 点 ;C 点 为 单 脚 离 地 时 间, 即 时 间 终 点. 3) 跳 跃 站 立 及 跳 下 工 况 中, 仅 在 特 定 瞬 时 发 生, 且 控 制 因 素 为 跃 起 后 落 下 时 力 的 最 大 值, 即 瞬 时 作 用 荷 载 [8], 故 文 中 只 分 析 以 上 3 种 工 况 作 用 力 的 最 大 值, 人 对 地 面 作 用 力 最 大 值 与 其 体 重 比 值 最 大 值 见 表 4.
66 哈 尔 滨 工 业 大 学 学 报 第 48 卷 12 表 4 人 员 跳 跃 起 立 等 动 作 的 动 力 放 大 系 数 k F/N 8 4 图 3 1 2 3 (a) 行 走 作 用 力 时 程 k k1 k3 k2 表 2 A B C D E A 单 脚 落 地 B 重 心 下 降 C 重 心 转 移 D 脚 掌 撑 地 E 单 脚 离 地 t1 t2 t3 t4 t (b) 行 走 建 议 荷 载 模 型 实 测 人 员 行 走 作 用 力 时 程 及 建 议 荷 载 模 型 人 员 行 走 动 力 放 大 系 数 及 单 步 时 间 参 数 k 1 k 2 k 3 t 1 / s t 2 / s t 3 / s t 4 / s 慢 走 1.221.678 1.15.148.39.527.69 正 常 走 1.313.569 1.88.121.289.45.599 快 走 1.162.323 1.62.87.248.387.56 F/N 图 4 2 15 1 5.2.4.6.8 1. k k1 A B (a) 跑 步 作 用 力 时 程 C A 单 脚 落 地 B 重 心 下 降 C 单 脚 离 地 t1 t2 t (b) 跑 步 建 议 荷 载 模 型 实 测 人 员 跑 步 作 用 力 时 程 及 建 议 荷 载 模 型 全 力 跳 起 持 续 跳 跃 跳 远 正 常 站 起 快 速 站 起 6 cm 高 跳 下 5.285 4.538 4.95 1.318 1.695 6.743 3 楼 盖 区 现 场 实 测 及 分 析 针 对 内 蒙 古 伊 金 霍 洛 旗 全 民 健 身 体 育 活 动 中 心 工 程, 对 大 跨 度 张 弦 梁 楼 盖 运 动 场 装 修 前 进 行 振 动 加 速 度 实 测, 目 的 是 通 过 实 测 本 底 振 动 振 动 传 递 和 动 力 响 应 明 确 大 跨 度 楼 盖 区 的 动 力 特 性, 通 过 对 实 测 结 果 的 计 算 和 分 析, 为 该 建 筑 结 构 实 际 使 用 舒 适 性 作 出 预 测 评 价, 测 试 主 要 包 括 : 1) 人 及 重 物 对 大 跨 度 结 构 的 瞬 时 激 励 效 应 测 试, 即 人 为 激 励 大 跨 度 结 构 地 面 一 点, 测 量 相 应 测 点 的 振 动 及 频 谱 成 份 ; 2) 人 行 激 励 对 体 育 馆 主 场 地 振 动 效 应 测 试, 由 测 试 者 在 大 跨 度 结 构 地 面 上 走 跑 激 励, 测 量 附 近 测 点 的 振 动 及 频 谱 成 份. 现 场 测 试 点 位 置 见 图 5. EN EA E EB ES 5 6 7 8 9 1 11 12 13 测 点 图 5 E9 跳 起 E6 跳 起 E6 沙 袋 现 场 测 点 布 置 示 意 E6-E8 跑 步 E6-E8 正 步 EA6-EB6 正 步 4?5 在 对 现 场 实 测 结 果 进 行 分 析 的 同 时, 利 用 ANSYS 建 立 大 跨 度 主 体 结 构 模 型, 主 体 结 构 模 型 混 凝 土 板 厚 为 15 mm, 混 凝 土 楼 板 采 用 C3, 钢 材 主 要 采 用 Q345 及 Q42, 张 拉 索 采 用 高 强 预 应 力 钢 索, 主 体 结 构 模 型 见 图 6. 荷 载 以 移 动 荷 载 列 的 形 式 在 模 型 中 加 载 [9], 根 据 现 场 实 测 工 况 对 模 型 进 行 相 应 振 动 激 励 分 析, 对 比 现 场 实 测 和 分 析 结 果, 得 到 大 跨 度 楼 盖 在 人 行 激 励 下 的 动 力 振 动 特 性. 表 3 人 员 跑 步 动 力 放 大 系 数 及 单 步 时 间 参 数 k 1 t 1 / s t 2 / s 慢 跑 2.329.18.178 正 常 跑 2.515.95.148 快 跑 2.481.8.139 图 6 大 跨 度 主 体 结 构 模 型
第 6 期 杨 维 国, 等 : 大 跨 度 楼 盖 结 构 在 运 动 荷 载 下 的 振 动 性 能 67 3.1 楼 盖 自 振 频 率 计 算 及 实 测 利 用 ANSYS 对 上 述 大 跨 度 主 体 结 构 模 型 进 行 模 态 分 析, 得 到 模 型 前 2 阶 竖 向 自 振 频 率 为 1.91 Hz 和 2.7 Hz, 结 构 前 两 阶 振 型 见 图 7. 利 用 脉 动 法 对 主 体 结 构 进 行 动 力 特 性 测 试, 分 析 主 体 结 构 在 无 显 著 激 励 条 件 下 的 频 谱 成 分, 测 得 竣 工 前 主 场 地 自 振 频 率 为 2 ~ 3 Hz( 图 8), 实 测 结 果 与 分 析 结 果 比 较 吻 合, 验 证 了 计 算 模 型 的 正 确 性. (a) 第 一 阶 振 型 (b) 第 二 阶 振 型 图 7 结 构 前 两 阶 振 型 加 速 度 /1-8 (mm?s -2 ) 3 2 2~3Hz 1 2 4 6 8 1 频 率 /Hz 图 8 实 测 结 构 竖 向 加 速 度 频 谱 3.2 人 及 重 物 瞬 时 激 励 采 用 人 为 激 励 大 跨 度 结 构 地 面 一 点, 测 量 其 邻 近 点 振 动 幅 值 及 频 谱 成 份, 中, 测 点 位 于 E5 点, 采 取 3 种 激 励 方 式 :1) 一 人 ( 体 重 119 kg) 在 E9 点 跳 起 激 励 ;2) 一 人 ( 体 重 119 kg) 在 E6 点 跳 起 激 励 ;3) 在 E6 点 5 kg 沙 袋 自 6 cm 高 自 由 落 下. 为 确 保 各 次 测 量 之 间 具 有 可 比 性, 前 两 种 激 励 方 式 中, 人 跳 起 高 度 尽 量 保 持 一 致, 第 3 种 激 励 方 式 中, 沙 袋 落 下 高 度 亦 尽 量 保 持 一 致. 分 析 时, 由 人 员 运 动 荷 载 实 测 所 得 动 力 放 大 系 数 及 人 和 沙 袋 的 重 力, 得 到 人 跳 跃 及 沙 袋 下 落 对 测 试 点 的 冲 击 力 F = kg, 其 中 k 分 别 为 表 4 中 全 力 跳 起 及 6 cm 高 跳 下 放 大 系 数, G 为 上 述 3 种 工 况 瞬 时 激 励 人 及 沙 袋 重 力, 得 出 3 个 工 况 作 用 力 分 别 为 6 163.7 6 163.7 3 34.1 N, 作 为 冲 击 荷 载 施 加 在 相 应 的 激 励 点 (E6 及 E9), 对 结 构 进 行 瞬 态 分 析, 得 测 点 E5 的 加 速 度 时 程 曲 线, 与 分 析 结 果 对 比 见 表 5. 表 5 人 及 重 物 瞬 时 激 励 下 测 点 E5 振 动 加 速 度 与 对 比 mm s -2 激 励 方 式 径 向 切 向 竖 向 平 均 偏 差 / % 平 均 偏 差 / % 平 均 偏 差 / % E9 跳 起 1 9.14 11.31 8.64 9.27 4.54 52.3 E9 跳 起 2 8.6 11.31 26.8 15.4 9.27-12.98 55.65 52.3 2.4 E9 跳 起 3 9.17 11.31 8.28 9.27 57.3 52.3 E6 跳 起 1 19.34 2.45 11.3 11.72 79.91 12.2 E6 跳 起 2 24.5 2.45 6.19 17.11 11.72-8.15 111.59 12.2 14.88 E6 跳 起 3 14.38 2.45 9.87 11.72 75.34 12.2 E6 沙 袋 1.55 12.45 18.1 6.59 7.54 14.4 48.21 52.58 9.6 由 现 场 实 测 与 分 析 对 比 可 知, 主 场 地 在 人 跳 跃 及 重 物 下 落 激 励 下, 分 析 结 果 与 现 场 实 测 竖 向 加 速 度 峰 值 能 较 好 吻 合, 偏 差 可 控 制 在 15% 以 内, 径 向 与 切 向 加 速 度 峰 值 存 在 一 定 的 偏 差, E9 跳 起 激 励 时 径 向 加 速 度 偏 差 为 26.8%.3 种 瞬 时 激 励 下, 加 速 度 反 应 均 不 断 衰 减,E6 跳 起 激 励 产 生 的 竖 向 加 速 度 响 应 较 大, 测 点 处 三 方 向 最 大 加 速 度 响 应 依 次 为 24.5 17.11 及 111.59 mm / s 2. 与 有 限 元 计 算 所 得 竖 向 加 速 度 时 程 曲 线 对 比 见 图 9. 3.3 人 行 激 励 振 动 特 性 该 部 分 测 试 中, 测 试 者 在 体 育 馆 地 面 上 走 跑 激 励, 测 量 附 近 测 点 的 振 动, 测 点 位 于 E5 点, 采 取 3 种 激 励 方 式 :1)3 人 同 步 在 E6-E8 之 间 跑 步 行 进 ; 2) 3 人 同 步 在 E6 - E8 间 正 步 行 进 ;3) 3 人 同 步 在 EA6-EB6 间 正 步 行 进. 人 行 荷 载 作 用 下 进 行 分 析 时, 先 进 行 主 体 结 构 模 态 分 析, 由 一 二 阶 频 率 计 算 得 瑞 利 阻 尼, 由 图 3 4 中 人 员 运 动 荷 载 实 测 所 得 跑 步 及 走 路 等 工
68 哈 尔 滨 工 业 大 学 学 报 第 48 卷 况 的 建 议 荷 载 模 式, 得 激 励 荷 载 F = kg,k 取 表 2 3 中 正 常 走 及 正 常 跑 中 放 大 系 数, 测 试 人 员 为 表 1 中 序 号 1 5 6 人 员, 即 G 分 别 为 1 161. 3 644. 8 542.9 N, 由 MATLAB 拟 合 得 到 各 测 试 点 的 人 行 荷 载 时 程 曲 线, 作 为 激 励 荷 载 施 加 在 相 应 的 激 励 点 ( 图 5), 对 结 构 进 行 瞬 态 分 析, 得 测 点 E5 的 加 速 度 时 程 曲 线, 与 分 析 结 果 见 表 6, 表 5 6 中 径 向 为 垂 直 于 张 弦 梁 方 向, 切 向 为 张 弦 梁 方 向. 与 计 算 所 得 测 点 E5 的 竖 向 加 速 度 时 程 曲 线 见 图 1. 图 9.6.4.2 -.2 E9 跳 起 2 -.4 -.6 1 2 3.12.8.4 E6 跳 起 2 -.4 -.8 -.12 1 2 3.6.4.2 (a) 一 人 ( 体 重 119kg) 在 E9 点 跳 起 (b) 一 人 ( 体 重 119kg) 在 E6 点 跳 起 E6 沙 袋 -.2 -.4 -.6 1 2 3 (c) 沙 袋 ( 重 5kg) 在 E6 点 自 由 下 落 人 跳 跃 及 重 物 下 落 时 E5 测 点 竖 向 加 速 度 曲 线 由 表 5 6 中 实 测 与 分 析 对 比 结 果 可 知, 主 场 地 在 人 行 荷 载 激 励 下, 所 得 分 析 结 果 与 现 场 实 测 竖 向 加 速 度 峰 值 能 够 较 好 吻 合,E6-E8 间 跑 步 及 正 步 走 时, 偏 差 较 小,EA6-EB6 正 步 走 时 径 向 加 速 度 峰 值 偏 差 最 大 为 26.4%.3 种 激 励 方 式 下, 激 励 刚 开 始 时 反 应 较 大, 后 期 开 始 衰 减, 跑 步 激 励 产 生 的 竖 向 加 速 度 响 应 比 正 步 响 应 大, 而 正 步 激 励 产 生 的 横 向 加 速 度 响 应 大 于 跑 步 响 应, 测 点 处 正 步 激 励 时 三 方 向 最 大 加 速 度 响 应 分 别 为 21 23 及 87 mm / s 2. 参 考 中 国 建 筑 楼 盖 结 构 振 动 舒 适 度 技 术 规 范 [1] 中 关 于 楼 盖 舒 适 度 的 有 关 规 定, 根 据 体 育 馆 使 用 要 求 选 取 商 场 舒 适 度 标 准, 行 走 激 励 时 楼 盖 峰 值 加 速 度 限 值 为 15 mm / s 2, 人 行 走 引 起 的 楼 盖 振 动 峰 值 加 速 度 可 近 似 计 算 : a p = F p g, (1) ξw F p = p e -.35f 1, (2) W = δf jk B j L j, (3).25 æd B j = s ö C j ç,l j 2 èd j ø 3 B w. (4) 式 中 :a p 为 楼 盖 振 动 峰 值 加 速 度,F p 为 接 近 楼 盖 结 构 自 振 频 率 时 人 行 走 产 生 的 作 用 力,p 为 人 行 走 产 生 的 作 用 力,f 1 为 结 构 第 一 阶 竖 向 自 振 频 率,ξ 为 楼 盖 结 构 阻 尼 比,W 为 楼 盖 结 构 振 动 有 效 重 量,g 为 重 力 加 速 度,δ 为 连 续 性 系 数,F jk 为 次 梁 分 担 的 均 布 荷 载 标 准 值,L j 为 次 梁 的 跨 度,B j 为 次 梁 的 有 效 宽 度,C j 为 次 梁 的 边 界 条 件 影 响 系 数,D s 与 D j 分 别 为 垂 直 于 与 平 行 于 次 梁 跨 度 方 向 单 位 宽 度 的 惯 性 矩,B w 为 垂 直 于 次 梁 跨 度 方 向 的 楼 板 宽 度..18.12.6 -.6 -.12 -.18 2 4 6.9.6.3 -.3 -.6 (a)3 人 同 步 在 E6-E8 之 间 跑 步 -.9 2 4 6.12.8.4 -.4 -.8 (b)3 人 同 步 在 E6-E8 之 间 正 步 走 -.12 2 4 6 图 1 (c)3 人 同 步 在 EA6-EB6 之 间 正 步 走 人 行 激 励 时 E5 测 点 竖 向 加 速 度 曲 线 根 据 上 式 代 入 相 关 参 数 后 得 到 楼 盖 振 动 峰 值 加 速 度 为 46. 3 mm / s 2, 行 走 工 况 计 算 结 果
第 6 期 杨 维 国, 等 : 大 跨 度 楼 盖 结 构 在 运 动 荷 载 下 的 振 动 性 能 69 53. mm / s 2, 与 规 范 计 算 值 相 差 在 15% 以 内, 且 小 于 规 范 中 行 走 激 励 时 建 筑 楼 盖 峰 值 加 速 度 限 制, 进 一 步 说 明 了 所 建 立 的 荷 载 模 型 及 模 型 的 有 效 性. 表 6 测 点 E6-E8 及 EA6-EB6 振 动 加 速 度 与 对 比 mm s -2 激 励 径 向 切 向 竖 向 偏 差 / % 偏 差 / % 偏 差 / % E6-E8 间 跑 步 14.57 17.13 17.5 8.51 7.6-17.3 134.14 153.8 14.65 E6-E8 正 步 走 17.36 21.24 22.3 12.91 9.57-25.8 59.89 68.9 15.4 EA6-EB6 正 步 走 21.9 26.67 26.4 22.67 18.32-19.1 86.79 76.41-11.9 4 结 论 1) 针 对 建 立 的 人 员 荷 载 模 型 : 行 走 工 况 下, 人 员 荷 载 放 大 系 数 约 为 1.2, 正 常 走 最 大 ; 跑 步 工 况 下, 人 员 荷 载 放 大 系 数 约 为 2.4, 正 常 跑 最 大 ; 跳 跃 工 况 下, 人 员 荷 载 放 大 系 数 约 为 4.9, 全 力 跳 起 最 大 ; 其 他 动 作 中,6 cm 高 跳 下 动 力 放 大 系 数 达 6.7, 动 力 放 大 效 应 显 著. 2) 行 走 工 况 下, 楼 盖 振 动 峰 值 加 速 度 理 论 计 算 值 与 计 算 结 果 吻 合 较 好, 两 者 相 差 在 15% 以 内 ; 其 他 测 点 处 计 算 值 与 现 场 实 测 值 相 差 在 3% 内. 对 于 工 程 中 其 他 人 员 运 动 荷 载 工 况 下 的 楼 盖 振 动 响 应, 可 根 据 相 应 的 荷 载 模 式, 建 立 模 型 进 行 振 动 分 析. 3) 主 场 地 在 人 跑 步 跳 跃 及 重 物 下 落 激 励 下, 所 得 分 析 结 果 与 现 场 实 测 竖 向 加 速 度 峰 值 吻 合 较 好, 两 者 相 差 在 3% 以 内, 偏 差 在 可 接 受 的 范 围 内, 可 验 证 人 员 运 动 荷 载 的 数 值 模 拟 的 有 效 性 及 楼 盖 模 型 的 正 确 性. 4) 根 据 大 跨 度 楼 盖 现 场 实 测 和 分 析, 楼 盖 区 张 弦 梁 结 构 在 激 励 施 加 时 加 速 度 反 应 较 大, 后 期 不 断 衰 减, 但 衰 减 较 慢 ; 在 人 行 荷 载 激 励 时, 后 续 激 励 与 前 期 激 励 反 应 会 有 部 分 叠 加, 振 动 响 应 呈 现 先 减 小 再 增 大 然 后 再 减 小 的 特 征. 参 考 文 献 [1] 操 礼 林, 李 爱 群, 陈 鑫, 等. 人 群 荷 载 下 大 型 火 车 站 房 大 跨 楼 盖 振 动 舒 适 度 控 制 研 究 [C] / / 第 五 届 全 国 防 震 减 灾 工 程 学 术 研 讨 会 论 文 集. 武 汉 : 中 国 土 木 工 程 学 会,21: 334-34. [2] 李 泉, 樊 健 生, 聂 建 国. 人 群 节 律 性 运 动 下 大 跨 楼 盖 的 随 机 振 动 问 题 研 究 [J]. 振 动 与 冲 击,212,31(24): 9-15. [3] 中 华 人 民 共 和 国 住 房 和 城 乡 建 设 部. 建 筑 工 程 容 许 振 动 标 准 :GB 5868 213 [ S]. 北 京 : 中 国 计 划 出 版 社, 213. [4] 何 浩 祥, 闫 维 明, 张 爱 林, 等. 竖 向 环 境 振 动 下 人 与 结 构 相 互 作 用 及 舒 适 度 研 究 [ J]. 振 动 工 程 学 报,28,21( 5): 446-451. [5] 董 霜, 朱 元 清. 环 境 振 动 对 人 体 的 影 响 [ J]. 噪 声 与 振 动 控 制,24,24(3): 22-25. [6] 马 伯 涛, 杨 国 莉, 庞 玉 涛, 等. 大 跨 度 及 长 悬 挑 楼 层 钢 结 构 运 动 场 人 员 舒 适 度 分 析 研 究 [ J]. 建 筑 结 构 学 报, 212,33(4): 95-13. [7] KERR S C, BISHOP N W. Human induced loading on flexible staircases [ J]. Engineering Structures, 21, 23 (1): 37-45. [8] YAO S, WRIGHT J R, PAVIC A, et al. Forces generated when bouncing or jumping on a flexible structure [ C] / / Proceedings of the International Conference on Noise and Vibration. Leuven, Belgium: [ s. n.], 22, 2 ( 1 ): 563-572. [9] ELLIS B. Floor vibration induced by dance type loads: verification [ J ]. Structural Engineer, 1994, 72 ( 3 ): 45-54. [1] 中 华 人 民 共 和 国 住 房 和 城 乡 建 设 部. 建 筑 楼 盖 结 构 振 动 舒 适 度 技 术 规 范 ( 征 求 意 见 稿 )[S]. 北 京 : 中 国 建 筑 工 业 出 版 社,214. ( 编 辑 赵 丽 莹 )