黄北平

(中铁第四勘察设计院集团有限公司技术中心,武汉 430063)

1 概述

近年来,随着我国铁路的快速发展,铁路旅客站房建设标准和要求也在不断的提高。其站房的结构设计也是多种多样,大跨度、钢结构、桥建合一等结构类型和形式,已在铁路旅客站房建设中较多地采用。因此,以往结构设计时不受关注的一词“舒适度”,倍受工程结构设计人员的关注。在铁路旅客站房设计中,建筑物在各类不同荷载作用下将产生振动,而过大的振动会使在候车厅内的候车旅客感觉不舒适。如何考虑和解决这一技术问题,考虑到国内建筑结构设计规范在这方面没有明确的规定,国外在这方面研究虽然多年,也发布了相关的设计指南,但各国的计算方法并不一致,相互之间存在明显的差异。

某铁路旅客站房工程主体为框架结构,B区高程8.15m楼面为双向钢-混凝土组合梁楼面,区域 70.2 m×30m,混凝土板支承在双向井式(3m×3m)钢梁上,组合梁采用箱形截面和工字形截面,钢材为 Q345;混凝土板强度 C30,板厚 120mm。楼面结构平面布置见图1。

图1 楼面结构平面布置(单位:mm)

由于该区域为中部纵横向跨度较大,为使旅客有一个良好候车环境,计算分析结果表明,结构竖向自振频率约为 3.1Hz,仅与《城市人行天桥与人行地道技术规范》(CJJ69—95)第 2.5.4条“为避免共振,减少行人不安全感,天桥上部结构竖向自振频率不应小于3Hz。”要求的频率接近。为进一步分析结构楼面竖向振动舒适度,针对该区域楼面竖向振动舒适度水平进行专项研究。并主要通过对其竖向加速度峰值及进度竖向振动加速度谱分析。

2 标准及评价指标

人对楼板振动的反应与楼面振动的大小与持续时间、人所处环境,以及人自身的活动状态和心理反应都有关系。对竖向振动舒适度评价,国内外相关标准逐渐倾向于以峰值加速度为控制指标,如《Floor Vibrations Due to Human Activities》(AISC-11)和 《Minimizing Floor Vibration》(AT CDesign Guide1)等。对楼面结构竖向振动舒适度要求进行评价,根据 ATC要求,行走时舒适度竖向加速度推荐限值见表1,节律运动时竖向加速度推荐限值见表2。

表1 ATC推荐的行走引起的振动加速度限值

表2 ATC推荐的节律运动引起的振动加速度限值

楼面振动对人的影响一般可以采用峰值加速度来衡量,而不同的环境、不同人对其振动的敏感程度也有所不同,对于火车站候车厅,在正常候车的状态下,竖向振动舒适度的峰值加速度可参照“商场”环境限值;当有局部人群进行跳跃或跑动时,舒适度的峰值加速度可参考“宴会、举重”活动限值。

3 现场检测

3.1 测试方法

用拾振器记录人在楼面行走、跳、跑等动作及候车引起的楼面竖向加速度。对楼盖在正常候车时的楼面舒适度测量,将传感器布设于整个区域典型梁相交处;对局部楼板,测试模拟人走、跑等活动,测量活动对局部板块的动态加速度。现场布设 6只 941B型拾振器,拾振器考虑 2种布置方式,见图2。

图2 竖向振动舒适度测点布置方案(单位:mm)

测量仪器采用 941B型拾振器、941信号调节器和Dasp信号采集分析系统。941B型拾振器采用无源闭环伺服技术,可以获得良好的超低频特性,可用于地面和结构物的脉动测量,同时也可满足一般结构物的工业振动测量。拾振器设有加速度、小速度、中速度、大速度 4档。放大器具有放大、积分、滤波和阻抗变换的功能。根据需要,可选取拾振器上微型拨动开关及放大器上参数选择开关相应的档位,提供测点的加速度、速度或位移参量。其具有体积小、质量轻、使用方便、分辨率高、动态范围大及一机多用的特点,可直接与各种记录器及数据采集系统配接。

3.2 不同活动工况的研究

根据铁路旅客站房候车厅楼面在不同使用期间的旅客动力特性,通过测量该站在春运期间楼盖结构在使用期间的动力特性,在正常使用状况下候车人群(密集人群候车)、适当有序人流(检票进站)及以上两种工况有列车通过时的加速度响应。

在局部区域模拟走、跑、跳等工况条件,测试在使用环境中进行此类活动对楼盖局部板块上的加速度响应,人慢走加速度响应与正常候车时基本一致,跳、跑作用下,测试时单人体重 78kg,3人体重 235kg(62kg+78kg+95kg)。

3.3 测试结果

在候车过程中,整体区域梁相交位置处测得,最大竖向峰值加速度为 79.9mm/s2(0.81%g),对应工况为列车过站时振动竖向加速度响应值。

在活动引起局部区域振动,测得 3人活动最大竖向峰值加速度为 150.8mm/s2(1.54%g);测点加速度幅值由板跨中向两正交板跨方向中逐渐衰减。

通过测试整体楼面振动特性,在测试区间楼面竖向振动基本频率为 3.3～3.4Hz,阻尼比约 3.6%,测试信号自谱图见图3和图4。

图3 测点 2自谱图

图4 测点 3自谱图

上述测试结果表明:该区在候车活动下,候车室竖向振动舒适度满足《Minimizing Floor Vibration》(ATC Design Guide 1)推荐限值要求。

4 结语

对于大跨度、钢结构楼面而言,设计时除强度与变形满足规范要求外,楼面结构的舒适度有可能不满足人们对使用的要求。对大跨度候车厅楼面结构振动的理论分析和试验证明,楼面的动力特性(自振频率、振型、阻尼比)对于楼面在列车通过及步行激励荷载作用下的响应较大,不仅在设计过程中应认真分析这一工况的舒适度要求,建议尽可能进行现场测试并做好减振方案。

[1] GB50017— 2003,钢结构设计规范[S].

[2] CJJ69—95,城市人行天桥与人行地道技术规范[S].

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

[4] 中国建筑科学研究院建筑结构研究所.西站房竖向振动舒适度测试报告[R].北京:2008.

[5] 中铁第四勘察设计院集团有限公司.武昌站大跨度钢-混凝土组合梁楼盖应用研究[R].武汉:2008.