鐵路客站候車室樓蓋振動舒適度研究

姜 銳

(鐵道部經濟規劃研究院，北京 100038)

大型“站橋合一”結構的高架候車室樓蓋具有跨度大(多數超過40 m)、剛度小、基頻低等特點。候車室旅客活動以及下部軌道層列車通過所產生的振動均會在樓蓋中產生較為顯著的豎向動力響應，給人帶來不適感，從而影響樓蓋的使用。研究表明，即使樓蓋的強度與變形滿足規范要求，其舒適度也可能不滿足使用要求。目前，關于客站大跨度樓蓋的舒適度研究甚少，也無相應的評價標準。本文從人群活動和列車通過兩個方面，分別說明了樓蓋舒適度研究現狀，總結了國內外關于舒適度的相關標準，提出鐵路客站大跨度樓蓋舒適度進一步研究的建議。

1 人群活動引起的樓蓋舒適度研究

關于人群活動引起的樓蓋舒適度問題研究較早，主要內容包括人群激勵荷載的模擬和樓蓋動力模型兩部分。

1.1 激勵荷載的模擬

國外關于人群活動激勵的研究多數集中在人行荷載的模擬上，模擬方法有曲線模擬，如雙峰值單足落步曲線、IABSE(International Association for Bridge and Structure Engineering)的連續步曲線、單人跳躍曲線等和Fourier級數模擬，如 M2行走曲線等［1］。圖1給出了典型的單足落步曲線。

國內關于人群活動的激勵研究相對較少。孫利民等［2］在參考了國外試驗結果和一些國家規范的基礎上，給出了天橋的周期性人行荷載模式。

在鐵路客站候車室樓蓋舒適度研究方面，文獻［3］采用了實測歸一化的連續行走和單人跳躍相對時程曲線;文獻［4］則采用了 IABSE提供的連續步荷載模型。

圖1 單足落步曲線

總體上看，目前用于大跨度樓蓋的人行荷載模型缺乏代表性，研究仍不充分。文獻［1］建議人行荷載建模研究可同生物、醫學等學科結合起來，以便使人行荷載理論模型更精確。其有效性需要更多、更廣泛的實測數據來驗證。

1.2 樓蓋動力特性

精確的樓蓋模型是樓蓋動力特性分析的重要前提。20世紀60年代人們采用Burkhardt提出的梁模型，將樓蓋簡化為單跨梁［5］;20世紀70年代后期，隨著研究的深入，人們意識到有適當約束的樓蓋整體模型比簡單的梁模型要精確［1］。但無論是早期的梁模型還是后來的樓蓋整體模型，都對實際結構進行了不同程度的簡化，如邊界簡支、忽略柱對剛度的貢獻等，雖然計算方便，卻與實際不符。

大跨度樓蓋模型參數，如阻尼的識別是樓蓋動力特性計算的另一個問題。由于樓蓋抗彎能力的正交各向異性，導致樓蓋振動模態的密集，是造成樓蓋阻尼難以準確確定的主要原因［1］。

國內學者何浩祥等［5］結合人機工程學的成果，提出一種人與結構共同作用的模型，把人體等效為具有多自由度的質量、剛度和阻尼系統模型，并將該模型和原有結構進行耦合形成全新的動力學模型。

要想解決以上問題，得到精確的樓蓋模型和準確的樓蓋動力特性值，需要用大量的實測數據對已有模型進行修正。

2 列車通過引起的樓蓋舒適度研究

列車通過引起樓蓋舒適度問題的研究早期集中在地鐵引起的地面振動及對建筑物的影響上。文獻［6-8］分別用理論分析、數值模擬或現場實測的方法，研究地鐵通過引起的地面振動傳播規律及鄰近建筑物的振動響應規律。

大型站橋合一結構的站房，相當于把列車開進房子里，其高架候車室樓面系統豎向支撐構件多數直接落在軌道梁橋墩上，站內列車通過引起的樓蓋振動，以車輛—橋梁—建筑的方式傳播，與地鐵通過引起的鄰近建筑物振動傳播方式不同。由于這種站橋合一結構在國內尚屬首創，對這類振動引起的樓蓋舒適度研究很少。文獻［4］和文獻［9］對已建成的武漢站和廣州南站進行了相關研究，兩者都采用了數值模擬的方法，文獻［4］將車輛—結構相互作用問題分解為車輛子系統和結構子系統兩部分考慮，分別以剛體動力學方法和有限元方法模擬這兩個子系統，計算了國產先鋒號列車以200 km/h通過正線時的站房結構加速度響應;文獻［9］通過車輛—等效橋梁耦合系統以及橋梁—站房系統的分步求解，研究了列車高速通過站房所引起的結構動力響應。

大型站橋合一結構的站房由列車通過引起的樓蓋舒適度問題研究才剛剛起步。鑒于其振動傳播方式，建立包括車輛、橋梁、軌道、站房結構在內的整體模型來分析列車通過引起的樓蓋舒適度問題，似乎符合工程實際，但由于車、軌、橋、房之間相互作用的復雜性及計算分析的不確定性，目前還沒有通過建立整體模型進行舒適度分析的文獻;已有的建立分步模型的方法在計算時引入了一些假定，建模時對結構進行了簡化，同樣存在模型與實際不符的問題。在現場實測方面，僅文獻［10］中有人群活動如行走、跑、跳及候車引起的樓面豎向加速度實測值，列車通過引起的樓面動力響應實測值幾乎是空白。

3 人對振動的反應及樓蓋豎向振動舒適度標準

3.1 人對振動的反應

人對樓蓋豎向振動的反應直接影響到舒適度標準的控制，它與振動的大小、持續時間、人所處的環境、自身的活動狀態及人的感受等因素有關。最早進行人對振動反應研究的是德國的 Reiher和 Meister，他們用“不能感覺”、“微微感覺到”、“容易感覺到”、“強烈感覺到”、“不舒適、長時間振動可能會導致危險”、“很不舒適、短時間內會感到危險”等6個主觀判斷來描述人對振動的感受［11］;Nawayseh等通過人體主觀反應試驗，研究了振動的幅值、頻率成分及振動方向等因素對站立姿勢人舒適度的影響;國內學者宋志剛［11］提出通過預測煩惱率來考慮人對振動的主觀反應，將定性問題定量化，這種方法目前已被其他學者應用到舒適度研究中。

人對振動的反應不僅受客觀因素影響，更取決于主觀因素，具有很強的不確定性，定量分析非常困難。現場調查是了解人們對振動的反應的途徑之一，其準確度依賴于大量的、范圍廣泛的數據。

3.2 樓蓋豎向振動舒適度標準

研究人員在人群活動引起的樓蓋豎向振動舒適度問題上取得了一些研究成果，頒布了包含相關內容的設計指南或規范。表1為國內外有關舒適度的規范標準，表2和圖2為常用的ATC及ISO關于舒適度的具體規定。

由表1、表2及圖2可見，①各標準、規范之間關于舒適度的評價參數各不相同，包括加速度、速度、頻率、阻尼等。如同樣是針對節奏激勵引起的豎向振動，AISC限制樓蓋的頻率而ATC限制其峰值加速度;即便是同一個標準(規范)，針對不同情況，也可能采取不同的評價參數，如SCI對不同樓蓋基頻，分別限制其峰值加速度和峰值速度。②舒適度評價參數的計算方法不同。各標準、規范都有自己的計算公式和參數取值。③舒適度評價參數、計算方法不同，可能引起控制標準具體數值存在差異。如ISO和ATC，在樓蓋頻率4～8 Hz時，其對加速度峰值的限值相同，但關于節律運動允許的樓蓋振動峰值加速度分別為0.05 g和0.04 g～0.07 g。④我國建筑結構設計規范在結構豎向振動方面無明確的規定，僅在文獻［16］和文獻［17］中規定了自振頻率限值。

關于列車通過引起的樓蓋舒適度問題研究比較少，舒適度評價標準也參照常用的 ISO標準或 ATC標準。

4 結論

大跨度樓蓋豎向振動舒適度問題國內仍處于研究階段，尤其是列車通過引起的站房樓蓋舒適度研究，在國內幾乎是空白。鑒于高鐵站房數量多，候車室樓蓋舒適度問題日益受到重視，建議應從以下幾個方面進行下一步研究工作:

表1 部分大跨度樓蓋豎向振動舒適度規范標準

表2 ATC推薦的行走引起的加速度限值

圖2 不同環境下人體舒適度所能接受的峰值加速度水平(ISO 2631-2)

1)結合生物、醫學學科和現場實測，研究更為精確、適用于鐵路客站的人群荷載激勵模型。

2)對已建客站大跨度樓蓋結構進行分類梳理，選取典型結構建立理論分析模型，并通過現場實測和參數識別，對模型進行修正。

3)對已建客站進行列車通過引起的樓蓋動力響應實測，用以修正已有的分步模型。

4)參考現有舒適度控制標準，制訂適宜于鐵路客站候車室的樓蓋舒適度評價標準。從發展趨勢看，建議采用峰值加速度來衡量舒適度，因為峰值加速度在計算過程中已考慮了激勵、阻尼、質量、頻率等因素。

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