大跨度结构人行荷载舒适度分析

2021-01-04张琳

中国房地产业·下旬 2021年12期

张琳

【摘要】楼板的振动舒适度与其强度、变形性能一样，应当作为大跨度楼板设计的主要控制因素之一，如果设计不当，以大跨度楼板和大跨度人行桥为代表的梁板结构会在人的行走、运动和使用过程中出现较大的振动响应，从而引发人体的不适反应甚至导致结构的安全性和使用性下降。

【关键词】大跨楼板;人行荷载;舒适度【DOI】10.12334/j.issn.1002-8536.2021.36.041

1、概述

近年来，建筑行业随着国内经济高速发展进入了新的发展时期。对建筑结构的追求也朝着轻巧、造型独特等方向发展。现代工程结构因其质量和刚度的降低以及跨度的增大，使结构拥有较低的自振频率。

楼板结构的使用性首先应满足安全性的考虑，传统的对楼板设计和评估的限制主要是通过变形和强度条件。因此，楼板振动的舒适度与其强度及其变形性能一样，应当作为设计大跨度楼板的主要影响因素，如果设计不当，结构会在人的行走及运动和使用过程中有较大的振动反应，舒适度大幅度降低。

2、人致振动舒适度评价方法及标准

目前所采用的舒适度指标通常是由大量实验给出的，它有一个取值范围，对应于人体可接受的或不可接受的振动范围。

我国规范给出了两种控制楼板正常使用极限状态的设计途径：一是规定）楼板在荷载代表值下的挠度δ与跨度L之比值δ/L不应超过规定限值。二是考虑结构安全、舒适度的要求，根据工程经验，提出了常用的混凝土板的跨厚比以供设计人员参考。随着近几十年大跨、轻柔楼盖结构的大量兴起，舒适度问题日益凸显，仅通过限制楼板的挠度已不能保证人们心理感觉的舒适度。因此，国内研究人员在借鉴国外研究成果的基础上做了大量关于结构振动舒适度问题的研究和探讨，使得舒适度设计在我国得到逐步推进，限制加速度相应值法应运而生。

限制加速度响应值法通常是在共振条件下，结构上所产生的最大响应来评估其振动使用性。由于加速度易于测量，因此成为目前最为广泛使用的评价指标。我国《高规》（GB50010-2010）也明确规定了一般住宅、办公及商业建筑的楼盖结构，当其竖向频率小于3Hz时，需验算竖向振动加速度。《高层建筑混凝土结构技术规程》（JGJ3-2010）中提供由于人行走而引起楼盖振动的峰值加速度近似计算方法，而且建议了楼盖的阻尼比取值以及楼盖竖向振动的峰值加速度限值，见表1。

注：楼盖结构竖向自振频率为2Hz～4Hz时，峰值加速度限值可按线性插值选取。

3、人行荷载模型

人行的激励荷载能够引发结构的振动，进而结构会产生舒适度问题。人在行走时对结构产生垂直方向的荷载，进0而引起结构的竖向振动。同时，由于人在行走时重心的Z字形移动也会使结构产生周期性的横向振动，这一现象对人行天桥而言尤其重要。但对于梁板结构，分析时一般假设楼板平面内刚度为无限大，使得人行荷载产生的横向振动可以忽略不计。因此，本文主要研究人行荷载的竖向激励和结构的竖向振动。

步行荷载以傅立叶级数的形式表示，行人竖向动力荷载表示公式如下：

式中，G是单个行人质量，f是行人步频，α是第n阶竖向荷载谐波的动载因子， φ是初始相位。其中动载因子按下式确定：

公式（1）即为IABSE（国际桥梁与结构工程协会）采用的连续行走函数。

4、人群对步行荷载的影响

Matsumoto等人针对大跨度人行桥进行研究，得到了一个具有现实意义的结果，提出了一个简单的等效行人数计算公式：

式中：λ表示单位时间内通过桥梁断面的人数，T 表示过桥时间，N表示桥上的行人数。

5、基于SAP2000软件进行舒适度分析

对室内连桥进行人行荷载舒适度分析时，主要考虑的是竖向荷载作用下室内连桥的竖向振动，故可对整体模型进行简化，即在保证室内连桥边界条件的情况下，仅取出室内连桥相关的结构进行计算

下面以某项目的室内连桥为例进行SAP2000舒适度计算的详细说明。

薄型连桥是在某项目传统连桥基础上，通过加强步行街两侧悬挑结构刚度，使其作为薄型连桥的支座，从而减小连桥跨度和结构高度的混凝土连桥形式，如图1所示。

薄型连桥可有效增加桥下建筑净高、提升连桥布置的灵活性，为内装效果提供更大的操作空间。

由于验算楼盖舒适度时，主要考虑的是竖向荷载作用，故可对整体模型进行简化，即仅保设计大跨度楼盖的局部楼层进行计算分析。进行舒适度分析时，混凝土构件的尺寸、荷载同弹性计算模型，楼板采用壳单元模拟。室内连桥的舒适度计算考虑有效活载，活荷载取0.55KN/m，结构阻尼：0.01，动力荷载作用下舒适度计算可考虑混凝土弹性模量提高1.2～1.4倍，本项目混凝土弹性模量：38000Mpa。

对于本项目，连桥的面积约为28m，则同步行走的人数为6人，即在跨中6m范围内加1kN/ m的步行荷载时程。

根据统计，人行走时步频在2.0HZ～3.0HZ左右，针对本项目，分别对2.0HZ，2.4HZ，3.0HZ多人步行荷载下，楼板的舒适度进行计算分析。

由于当荷载频率f与楼盖竖向自振频率相同或f为其倍数时，楼盖的振动能量最大，因此还应取楼盖竖向自振频率的倍数为f的步行荷载进行计算分析。采用的步行荷载工况为国际桥梁及结构工程协会（IABSE）所给定的连续步行荷载模式，导入时程数据后，将其转换为用户自定义，如图2所示。

定义荷载工况，选择对应荷载工况的步行荷载时程函数。然后质量源为了保证楼盖竖向自振振型的出现，质量源应考虑Z向的分配。计算需考虑有效活荷载，根据实际情况对正常使用状态活载予以折减。模型相关参数定义完成后，对模型进行计算分析。本项目第一阶竖向振动频率为6.2Hz，满足规范要求。

本项目第一阶竖向振动频率为6.2Hz，满足规范要求。

计算完成后，选择跨中最不利的节点，显示节点的加速度反应结果。加速度时程曲线的提取：

SAP2000—显示—显示绘图函数—定义绘图函数—修改显示绘图函数—向量类型选择加速度，分量选择UZ。结果如图3所示。

分析得出，跨中最不利节点的加速度峰值小于规范的限值0.15 m/s。

总结：

（1）本文简要介绍了目前常用的舒适度评价方法和楼盖舒适度设计标准。

（2）对国内外常用的人行荷载模型进行了总结和综述，并对大跨度结构楼板人行荷载的选取和确定给出参考方法。

（3）以某项目室内连桥为实例，对大跨度楼盖人致振动下的正常使用性进行了评估。结合SAP2000软件，对大跨度楼板舒适度的动力时程响应分析的操作过程进行基本介绍。