第四章 人行振动影响的实例分析研究 ............................................................. 31
4.1 工程概况 ................................................................................................ 31 4.2 利用设计公式进行评价 ........................................................................ 31 4.3 利用时程分析方法评价使用性能 ........................................................ 32
4.3.1 时程分析法基本理论 .................................................................. 32 4.3.2 计算手段 ...................................................................................... 33 4.3.3 有限元模型的建立 ...................................................................... 34 4.3.4 特征值分析 .................................................................................. 36 4.3.5 时程分析条件 .............................................................................. 43 4.3.6 有限元计算 .................................................................................. 45 4.4 本章小结 ................................................................................................ 47 第五章 总结与展望 ............................................................................................. 48
5.1 总结 ........................................................................................................ 48 5.2 展望 ......................................................................................................... 49 参考文献 ............................................................................................................... 50 发表论文和参加科研情况说明 ........................................................................... 52 致
谢 ............................................................................................................... 53
第一章 绪论
第一章 绪论
1.1 研究背景
现代社会的建筑工程结构正在向着高、大、复杂而美观的方向发展，而这些 结构在外荷载的作用下很容易产生较大的振动，常常会给结构中的人带来不舒服 的感觉，这将直接导致结构的使用性能——舒适性的降低。
随着现代化生活水平的提高，人们对自己生活的质量要求也随之提高，渐渐 地对现实中的一些微小的因素也融入到自己考虑的范围之中。所以说工程设计人 员在进行设计验算时就不得不去增加一些必要的环节，除了之前必须要考虑的结 构满足刚度、稳定性、强度等条件，还要加入影响人们生活的一些因素。比如周 围施工或者车辆行走带来的振动问题，当然这不同于地震带来的震动，不会给人 们带来生命安全，但是却影响了人们的舒适度给人们带来一些不至于危及生命的 不舒适感，从而影响了人们的正常工作或者生活，这就是所谓的舒适度问题[1]。 基于以上社会发展实情和人们日益增长的精神文化需求，使得仅注重结构安 全性的传统设计理念不足以满足时代的发展要求，在这种情况下，基于使用功能 的设计（performance-based design）理念应运而生。这种理念就是要求在建筑物 的设计、施工和运营、维护各个阶段都要考虑到使用者的实际需要，全方面的为 使用者提供诸如安全性、适用性、耐久性等方面的便利，同时，努力以较低的建 造成本达到令人满意的功能特性，而建筑物在各种外界环境作用下的体现出来的 舒适性则是设计中需要考虑的重要内容[2]。欧洲建筑设计标准 ENVI991-1[3]指出， “建筑物的正常使用极限状态要考虑人的舒适度，也需要对能够引起人感到不舒 适 的 振 动 加 以 考 虑 ， 振 动 舒 适 度 应 该 满 足 ISO 2631 的 要 求 ” 等 ， 表 明 performance-based design 这个观点已被欧美等发达国家的结构工程领域接受。在 这个理念的影响下，一些国家和国际组织都纷纷对建筑设计体系进行了意义重大 的变革，美国、英国以及国际标准化组织 ISO 都先后发布了基于功能理念的新标 准，以更好的适用于设计工作。
我国近年来经济飞速发展，带动了大量体育馆、文化场馆等公共场所的建设。 为满足建筑的使用要求，大跨度楼板得到了广泛的使用，而人活动的频率可能与 楼板自振频率接近，产生共振，从而引起舒适度问题。公共场馆就是人员活动比 较频繁的地方，所以就比较容易产生共振，从而结构的安全设计就更为重要。所 以说公共场馆内为了避免一些不必要的人员伤亡问题，就不得不在设计中着重考
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虑这一问题，比如设置楼梯数量，门窗数量以及走廊宽度等问题。从建筑设计的 角度控制和降低交通引起的振动越来越受到工程师们的重视，并逐渐成为控制建 筑设计参数的重要因素[4]。所以说去进行楼板舒适度评价的研究是可以理解的， 也是应该进行的。
1.2 国内外舒适度理论研究现状
结构振动舒适度问题是一个涉及多学科的交叉课题，已经在一些工程事故中 暴露出来，振动问题的解决主要取决于两个方面：
一是从结构工程的角度，从设计角度对结构采取必要的措施通过控制结构振 动频率等指标，使结构避免出现过大的振动，另外通过采用可以近似估计结构振 动响应的计算方法，保证结构舒适性能，也从理论的角度提高评判结果的可信度；
二是从人体感官的角度，通过对振动给人带来的舒适影响级别的判断而对结 构的振动进行准恰当的评价，我国实际工程中常依据规范中的振动舒适度的相关 标准。
目前，学术界对结构楼板振动舒适度的课题研究方向主要有以下几种：楼板 振动的分析计算方法、人体对结构舒适度评价、基于舒适度的楼板正常使用极限 状态设计、基于舒适度性能的楼板优化计算等几个方面。
1.2.1 国外研究现状
国外对于人类活动对建筑结构的振动影响研究有很长的历史，取得了很多研 究成果，提出了多种简化计算方法，并依据这些研究成果提出了基于舒适度的环 境振动控制标准。
（1）结构工程的角度
Jacobs（1972）[5]首先研究了人的行走带来的楼板的竖向振动反映，并首次 得到了人的行走对楼板产生的激振作用力。
Matsumoto（1978）[6]对人类的行走步伐进行了研究，通过对大量试验数据的 统计分析，统计出人行走的步频平均值为 1.9Hz，标准差为 0.2 Hz。
Ohlsson（1988）和 Ellingwood（1984）[7]假定人走路时左右脚产生的单步落 足曲线相同，基于此假定，先后提出了模拟人走动过程激励力时程曲线的构造方 法，Ellingwood 得到了著名的 M2 行走曲线。
Bishop（1999）[8]系统研究了人在楼板和楼梯上走动时引起的振动，区分了 楼板和楼梯振动响应的计算方法他，认为柔性楼梯的振动设计不能简单地等同于
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第一章 绪论
人在楼板上走动引起的振动响应，并通过大量落步实验提出了典型的名义单步落 足曲线。
Allen 和 Rainer[9]对单人连续行走产生的动力荷载进行研究，认为人行走的激 励力可以通过取傅立叶级数前几阶，采用一系列简谐波的组合来模拟。这些简谐 波随着频率的加倍在总激励力中所占的比重逐渐减小，这个比重用一个动载因子 αn 来表示，前四个简谐波组成了动力荷载的绝大部分。
在傅里叶级数模型里，第一阶简谐波组成了动力荷载的绝大部分，在实际应 用中往往只考虑第一个简谐波的影响，而忽略高阶简谐波的影响。《美国钢结构 设计指导 11-人的活动引起的楼板振动》[10]即采用了该荷载简化模型，称为 3.2.5 人连续行走曲线的正弦函数模型。
在众多学者的研究成果基础上，有少数国家的楼板设计标准也开始考虑人行 走引起的振动问题，如英国混凝土协会在 1994 年发布的 CSTR43 和其之前的《瑞 士标准 SCI/CIRIA—楼板振动设计指南》，这两个标准主要用于钢结构、钢-混 凝土组合结构楼板设计，而认为混凝土结构较厚重，跨度不宜做大而不存在人行 振动舒适性问题。
J.W.Smith（1988）[11]对人行桥结构在荷载作用下的加速度响应做出了研究， 分别在不同的情况下进行比较最终得出了最大相应加速度的简化计算方法。这几 种情况区别就是在于体型、跨度、阻尼比的区别，因此也可以得出这几种因素对 加速度响应的影响。他这种方法属于瞬时响应，但是存在着很大的问题，由于他 设置的桥的频率与人的频率相同，式的结构始终处于共振状态，与现实差距很大。
文献[12][13][14]采用有限元的分析方法对大跨楼板和人行桥结构在人员行走作 用下的振动响应进行了分析，由于这种方法的局限性，使得其只能给特定结构做 出研究，无法得到一个公用的结论。
文献[15]做出的也是瞬态动力响应，但他只是针对大跨楼板，通过响应得出的 最大加速度反应谱，提出了板跨度修正系数，对其之后的分析有一定的参考价值， 而且适用性良好。但是他作出的分析也有一定的局限性，比如阻尼值取得较少， 仅两个，在这种情况下进行插值运算是不合理的，也是不可取的。再比如他给出 的结构太单一，说服性不强。最大的缺陷就是得出的结果对于给出舒适度的评价 还是完全不够的。
（2）人机工程的角度 这里研究的人体产生的舒适度就是指周围产生的振动对人类产生的影响，也
就是人体对周围环境的适应情况。由这些反应情况运用到实际的研究中去，由此 产生了人机工程学，最初的实验研究[16] 是在 1931 年由 Reiher 和 Meister 发起的， 他们通过让实验中的人员把自己在振动中产生的影响描述成“不能感觉”、“微
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微感觉到”、“容易感觉到”、“强烈感觉到”、“不舒适”、“长时间振动可 能会导致危险”、“很不舒适”、“短时间内会感到危险”等主观感受，然后将 所有人的感受汇总起来，进行近似模拟，寻求其中的规律，经过统计概率问题为 以后的舒适度评价提供了有力的依据。当然这样的实验研究还有很多，目的都是 针对舒适度评价问题的，只是实验方法、手段、数据处理问题或多或少的有些许 差距，但都得到了或大或小的成果，也为舒适度评价做出了一定的贡献。包括德 国、英国、美国等国，领域不仅涉及到我们所研究的土木工程范围，也包括了机 械、航空航天、船舶港口等领域。关于舒适度评价的问题，我们在下文还要做进 一步的描述。
1.2.2 国内研究现状
随着我国国民经济的迅速发展，我国工程建设的需求日益增加，由此，许多 新颖、独特的建筑涌现出来。生活水平的提高使得人们对建筑的关注点也有了变 革性的转变，那就是在追求建筑结构的欣赏性的同时，也对其使用功能的要求越 来越高，基于此国情，我国工程领域和学术界近年来对建筑结构的舒适度问题已 逐步深入的展开了各项研究。
刘军进[17]等对实测到的人的跳跃和行走激励行为进行分析，提出了相应的简 化数学模型。试验是的基本思路是，单人在刚性很大的简支混凝土板试件上连续 跳跃，试验的跳跃模式如图 1-1 所示。试验中采用频率为 100Hz 的力传感器对试 验过程进行了数据采集，对试验数据进行整理获得了试验过程的时程曲线。然后 对实测曲线的时间轴除以周期、对激励引起的落地冲击反力除以测试对象的静止 质量，从而得到了归一化的加速度时程曲线，如图 1-2 所示。并根据实测结果统 计，给出了激励力取值建议。另外，也利用有限元进行了理论模拟分析，即根据 已知的动力激励，利用弹性时程分析方法计算结构的竖向振动反应。在简支楼板 的振动测试试验中，试验结果和弹性时程分析结果之间呈现较好的吻合性，不仅 为实际工程的楼盖竖向振动舒适度的判断提供了依据，而且还为此类问题的计算 分析工作提供了很大的参考意义。
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建筑物楼板人行振动舒适度研究
