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.嘉興市秀湖發展投資集團有限公司，浙江 嘉興 314000；2.中建一局集團建設發展有限公司，北京 100102； 3.嘉興市秀洲區建設工程質量安全管理服務中心，浙江 嘉興 314000)

0 引言

在滿足建筑功能的要求下，大型公共建筑結構的安全性和舒適性日益引起人們的關注。而對于輕柔型的大跨結構，由于自振頻率較低，人群在行走或跳躍時，產生的激振頻率往往與結構自振頻率接近，導致大跨結構振幅較大，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]在國內外相關研究基礎上，提出了樓板振動的舒適度設計標準，并針對樓板振動的特點，對舒適度設計應采用的荷載取值進行了詳細說明。折雄雄等[2]總結了部分大跨度樓蓋豎向振動舒適度的規范標準。宋志剛[3]給出了人行走作用下樓板振動加速度響應的簡易計算公式。陳剛等[4]分析了不同工況下單人、多人有序和隨機活動下，某大跨度鋼結構連廊的振動特性和舒適度。都磊[5]以某美術館為背景，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]討論了人體質量、人體剛度、人體阻尼及人行荷載等行人動力學參數對人行橋動力特性及人致振動響應的影響規律。惠曉麗等[7]基于人-結構耦合振動，對某鋼結構連廊的人致振動舒適度進行評估，并對其產生的過量振動進行減振控制。羅敏杰等[8]在屋蓋結構上布置調諧質量阻尼器，并通過多點輸入計算屋蓋結構的豎向加速度響應。綜上，當前學者針對建筑物的舒適度研究多以結構關鍵點加速度響應作為衡量指標，當最大加速度響應值超過規范限值，則認為其舒適度不滿足要求。

對于人群密度較大的文化藝術中心，鋼桁架連廊跨度大，人員密集時易產生樓面大幅振動，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

嘉興市文化藝術中心項目位于嘉興市秀洲工業區新塍路北側、秀洲大道西側，是以開展文化藝術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。三棟塔樓間設置有大跨連廊，連廊采用鋼桁架結構形式，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，材質為Q345GJB，連廊桁架平面布置圖如圖1所示。

由于連廊結構跨度較大，若結構的第一自振頻率和人正常行走、跳躍的頻率接近，容易產生共振。盡管結構的強度滿足要求，不會發生強度引起的破壞，但是因為結構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構進行動力特性現場振動測試。

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

本次測試擬先根據動力特性測試確定結構的自振頻率，求得連廊結構豎向前幾階振型的阻尼比。本次測試動力特性時采用環境激勵，無額外加載。

為了準確得到振型并保證測量精度，根據現場條件建立網格，網格的每個節點處布置一個測點，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果對比

采取基于環境隨機激勵的模態參數識別方法進行動力特性參數測試，借助東華測試有限公司的DHDAS動態信號采集分析系統，對拾振器采集的連廊板豎向加速度時程數據進行模態參數識別。結構前5階計算陣型如表1所示，結構計算陣型圖如圖3所示。通過對測試數據分析，發現實測數據和計算模型在前3階陣型上有較好的吻合，結構前3階實測陣型和計算陣型對比結果如表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

根據測試結果可知：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)高階頻率數值較大，人致振動產生的頻率不足以完全激發高階振型，可能會對實測值產生影響。

2)實際模型的構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，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，并且周圍環境的其他噪聲因素對結構也有一定的影響。

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，行走的人員體重應接近70 kg，領走人員熟悉節拍器的使用并經過特定頻率行走訓練，經現場多次模擬訓練和測試，確保能按照設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

人致振動響應測試測點布置如圖6所示，因為現場條件，振動測試中的A01號測點刪去，共9個測點，其中藍色(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、節拍器、DH5922D動態信號采集分析系統、供電箱、節拍器等。

3.2 不同工況鋼桁連廊人致振動舒適度試驗結果對比

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時程曲線。14個工況中，各測點人群激勵響應測試結果匯總見表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建筑樓蓋結構振動舒適度技術規范規定的150 mm/s2的加速度限值外，其余各種工況下結構的加速度值基本都能滿足規定。經過分析，發現測點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，普遍存在3號點數值大于4號點數值的現象，但需要注意，峰值點并非同一時刻產生。由于3號點和4號點處于板的中部，在各工況進行中，產生上述原因確有可能因為線路問題和人員質量分布問題，導致3號點附近存在激勵距離過近，數值偏大的可能。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，該工況產生的可能性較低，且只有3號點局部產生加速度超限的現象，總體仍可判定為滿足要求。

4 結論

本文對嘉興文化藝術中心空中鋼結構連廊開展現場測試、數值計算和對比分析工作，得出如下結論：

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，根據現場測試與施工情況可能存在原因如下：a.高階頻率數值較大，人致振動產生的頻率不足以完全激發高階振型，可能會對實測值產生影響；b.結構實測時，部分裝修工作尚未完成，數值計算中則按照荷載規范要求考慮樓蓋荷載，數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，部分重型設施引起的持續振動以及其他高頻環境激勵給實測結果帶來一定的影響。2)現場測試表明：各工況下結構的加速度響應基本都能滿足JGJ/T 441—2019建筑樓蓋結構振動舒適度技術規范規定的150 mm/s2的加速度限值。個別工況下的極少數點的加速度峰值超過限值，可能是由于現場測試時，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，導致其峰值相對偏高。3)建議后續開展有限元的人致振動分析，與實測值進行對比驗證，從數值模擬角度對比分析個別點位振動超限的問題。