“房橋合一”站廳結(jié)構(gòu)振動舒適度煩惱率分析

楊 娜，王 民,2,3

(1.北京交通大學(xué) 土木建筑工程學(xué)院, 北京 100044；2.結(jié)構(gòu)風(fēng)工程與城市風(fēng)環(huán)境北京市重點實驗室(北京交通大學(xué)), 北京 100044；3.北京首鋼園林綠化有限公司,北京 100041)

“房橋合一”站廳結(jié)構(gòu)振動舒適度煩惱率分析

楊 娜1，王 民1,2,3

(1.北京交通大學(xué) 土木建筑工程學(xué)院, 北京 100044；2.結(jié)構(gòu)風(fēng)工程與城市風(fēng)環(huán)境北京市重點實驗室(北京交通大學(xué)), 北京 100044；3.北京首鋼園林綠化有限公司,北京 100041)

為研究“房橋合一”結(jié)構(gòu)體系在多種動力荷載作用下高架站廳結(jié)構(gòu)的舒適度與傳統(tǒng)振動規(guī)范的適用性，對某大型客站進行人群、列車荷載下的動力測試，通過現(xiàn)場調(diào)查研究了該振動水平下的旅客煩惱反應(yīng)；基于不同荷載類型與結(jié)構(gòu)跨度，利用已有的考慮了模糊性與隨機性的煩惱率模型進行反推計算，建立適合于評價“房橋合一”結(jié)構(gòu)煩惱率的舒適度量化指標(biāo).研究結(jié)果表明：部分區(qū)域振動水平未達到人體感知閥值，實際煩惱率為2%；部分區(qū)域振動強度超過70 dB，其理論煩惱率為50%，然而實際煩惱率仍為2%，傳統(tǒng)舒適度評價標(biāo)準(zhǔn)并不能準(zhǔn)確評價該類新型結(jié)構(gòu)體系.煩惱率模型可以量化任意振動強度下的干擾反應(yīng)率，給出高架站廳結(jié)構(gòu)的振動限值介于75～90 dB，與ISO規(guī)范振動反應(yīng)描述較為一致，彌補了現(xiàn)行規(guī)范關(guān)于大跨度“房橋合一”結(jié)構(gòu)舒適度評價的缺失.

大跨度站廳；舒適度；煩惱率；容許振動限值；人群荷載；列車荷載

為滿足零換乘和交通流線的立體化，現(xiàn)代大型鐵路客運站普遍采用“房橋合一”結(jié)構(gòu)體系[1]，與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)相比,具有設(shè)計跨度大、振動荷載類型多、功能分區(qū)明確與振動響應(yīng)明顯的特點.人群、列車和大型設(shè)備多種荷載作用下，結(jié)構(gòu)動力響應(yīng)會對旅客心理與生理活動造成干擾[2]，采用傳統(tǒng)舒適度評價標(biāo)準(zhǔn)判斷“房橋合一”結(jié)構(gòu)的舒適性并不合適.

1828年英國土木工程協(xié)會的Tomas Tredgold指出：為避免樓蓋振動導(dǎo)致的不便，需足夠大的梁高[3].文獻[4]通過實驗室研究人對樓蓋豎向振動的主觀反應(yīng)，提出了舒適度相關(guān)標(biāo)準(zhǔn).文獻[5]指出目前主要通過頻率調(diào)整法和限制動力響應(yīng)法保證結(jié)構(gòu)振動的舒適度，其中ISO 2631/2、BS 6472與GB 10070—88等標(biāo)準(zhǔn)均采用限制動力響應(yīng)法進行舒適度評價[6-9]，即只要工程結(jié)構(gòu)的加速度指標(biāo)不超過標(biāo)準(zhǔn)限值，便滿足舒適度要求.文獻[10-11]基于心理物理學(xué)原理建立了煩惱率計算模型，考慮了人主觀反應(yīng)判斷的模糊性與對振動刺激感受的隨機性，能夠定量評價結(jié)構(gòu)振動引起的煩惱率.文獻[12-13]分別采用煩惱率模型針對人行橋及汽車的舒適性做了相應(yīng)評估.然而，對于類似鐵路客運站等使用功能較為復(fù)雜的建筑結(jié)構(gòu)的定量舒適度評價研究較少.

本文針對某大型鐵路客站進行人群與列車荷載下的現(xiàn)場動力測試，獲得了“房橋合一”結(jié)構(gòu)正常運營下的振動強度分布資料，通過旅客對振動的主觀反應(yīng)調(diào)研，獲得了該振動強度下的實際煩惱率.實測數(shù)據(jù)資料，結(jié)合已有煩惱率計算模型從根本上建立考慮荷載類型與結(jié)構(gòu)跨度的振動容許下限值，進而計算不同使用功能區(qū)域的煩惱率曲線，為現(xiàn)行舒適度評價標(biāo)準(zhǔn)針對結(jié)構(gòu)形式與使用功能作相應(yīng)修訂提供參考.

1 舒適度評價指標(biāo)與標(biāo)準(zhǔn)

舒適感指人在絕大部分時間內(nèi)感受不到建筑物的振動[14]，舒適度為其程度，通常用“非常舒適”到“非常不舒適”等一系列程度逐漸增強的語言描述,大量測試與實驗室研究將振動反應(yīng)主觀描述與振動強度建立關(guān)系，舒適度評價以振動響應(yīng)是否超出標(biāo)準(zhǔn)限值來判斷,一般使用峰值加速度和均方根加速度作為評價依據(jù),當(dāng)波峰因數(shù)大于9時，采用最大瞬態(tài)振動值MTVV和振動劑量VDV評價.

均方根加速度、MTVV與VDV定義為：

(1)

(2)

(3)

式中:T為振動信號持續(xù)時間長度，s；τ為運行平均積分時間，建議取1 s，aw(t)為通過頻率加權(quán)函數(shù)w(f)計權(quán)后的振動信號加速度，m/s2.

不同國家舒適度標(biāo)準(zhǔn)采用不同評價指標(biāo)，部分指標(biāo)之間可相互轉(zhuǎn)換，表1給出各國振動標(biāo)準(zhǔn)及對應(yīng)舒適度評價指標(biāo).

中國和日本采用Z振級(dB)作為評價指標(biāo)：

(4)

式中：VLZ為Z振級，aw為加權(quán)均方根加速度，a0為基準(zhǔn)加速度，ISO 2631規(guī)定取值10-6m/s2.

傳統(tǒng)舒適度評價時，將評價場所的振動信號帶入上述公式計算相應(yīng)的指標(biāo)值，若評價指標(biāo)值未超出標(biāo)準(zhǔn)限值，說明該評價場所滿足舒適度要求，但只能得到“舒適”或“不舒適”、滿足規(guī)范要求與不滿足要求等半定量結(jié)論.

表1 舒適度標(biāo)準(zhǔn)與評價指標(biāo)

2 煩惱率基本概念與計算方法

某一振動作用下，產(chǎn)生煩惱反應(yīng)或感到振動不可接受的人數(shù)占統(tǒng)計總?cè)藬?shù)的比例即為煩惱率.煩惱率模型以主要評價標(biāo)準(zhǔn)和評價方法為數(shù)據(jù)基礎(chǔ)和依據(jù)，其理論基礎(chǔ)為心理物理學(xué)的信號檢測理論，結(jié)合運用模糊數(shù)學(xué)原理與概率統(tǒng)計理論.舒適度標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的限值在一定水平上是人為劃分的，結(jié)構(gòu)振動水平高于容許限值時，并非所有人都認(rèn)為振動不可接受，實驗結(jié)果表明人對振動感受具有隨機性且主觀判斷具有模糊性，盡管結(jié)構(gòu)振動水平低于容許限值，依然存在一部分人覺得振動不可接受.

文獻[15]在人對振動主觀感受程度差異性方面進行了實驗室研究，以均方根加速度為1 m/s2，頻率為16 Hz的振動信號作為參考信號，用頻率為4 Hz的振動信號作為比較信號，逐步增強比較信號的RMS，當(dāng)振感剛好超過16 Hz信號的振感時，記錄并統(tǒng)計比較信號的RMS，其為連續(xù)性分布，可以用對數(shù)正態(tài)分布描述，計算表達式見式(5).并且文獻[15]指出“Griffin得到的變異系數(shù)為0.3，Magid認(rèn)為其值為0.1，而Forthergill則認(rèn)為是0.5”.文獻[14]擬合了3種系數(shù)下的煩惱率曲線，發(fā)現(xiàn)變異系數(shù)對結(jié)果的影響可忽略.

(5)

(6)

式中：v(u)為概念隸屬度函數(shù)，服從心理物理學(xué)上的Fechner律，如式(7)所示，umin為容許振動下限值，umax為容許振動上限值，a、b為待定系數(shù)，可由實驗數(shù)據(jù)或規(guī)范計算得到.

(7)

3 “房橋合一”結(jié)構(gòu)振動舒適度評價

“房橋合一”結(jié)構(gòu)高架站廳設(shè)計跨度大，自振頻率低，與人行頻率較接近，當(dāng)分布大量人群時更容易引起結(jié)構(gòu)的振動響應(yīng)；盡管列車荷載引起的結(jié)構(gòu)振動頻率高，但輪軌作用力造成直接沖擊作用.本文以某個典型的“房橋合一”結(jié)構(gòu)體系的大型鐵路客站為研究對象，進行了人致結(jié)構(gòu)振動實測，獲取整個站廳在人群荷載下的振動響應(yīng)；結(jié)構(gòu)模型施加列車荷載進行動力分析，指導(dǎo)現(xiàn)場試驗方案布置，獲取了關(guān)鍵位置的車致結(jié)構(gòu)動力響應(yīng).

對兩種荷載下的結(jié)構(gòu)舒適度進行評價，參照規(guī)范及限值見表2，人群荷載下的結(jié)構(gòu)振動響應(yīng)轉(zhuǎn)換成加權(quán)Z振級指標(biāo)，參照中國和日本規(guī)范；提取直通列車作用下的峰值加速度，對比ISO與美國規(guī)范，見圖1～4.

表2 評價標(biāo)準(zhǔn)及限值

圖1 人致結(jié)構(gòu)Z振級與標(biāo)準(zhǔn)限

圖2 B區(qū)車致峰值加速度與標(biāo)準(zhǔn)限值

圖3 A區(qū)車致峰值加速度與標(biāo)準(zhǔn)限值

圖4 C區(qū)車致峰值加速度與標(biāo)準(zhǔn)限值

圖1顯示，只有部分測點工況的振動強度超出了日本限值，與中國標(biāo)準(zhǔn)僅相差3 dB，幾乎要超出標(biāo)準(zhǔn)限值；然而，基于人對振動的主觀反應(yīng)調(diào)研，實際煩惱率僅為2%；圖2表明，局部區(qū)域的車致振動峰值加速度均未達到人體對振動的感知閥限，其煩惱率的理論值為0，而實際煩惱率值為2%；圖3、4顯示部分測點超出了感知閥值和美國住宅限值，實際煩惱率為10%.傳統(tǒng)評價方法將振動響應(yīng)指標(biāo)與舒適度標(biāo)準(zhǔn)進行對比評價，只能簡單的給出是否符合舒適度標(biāo)準(zhǔn)要求，不能將實際煩惱率量值化，無法評價建筑物舒適度的優(yōu)劣，而且“房橋合一”屬于新型結(jié)構(gòu)形式，其舒適度評價是否應(yīng)該繼續(xù)使用原標(biāo)準(zhǔn)限值存在爭議.

4 “房橋合一”結(jié)構(gòu)煩惱率分析

4.1 “房橋合一”結(jié)構(gòu)煩惱率參數(shù)

將式(7)代入(6)，對u積分便可得到煩惱率關(guān)于實際振動強度x的函數(shù)表達式，給出場所的任意振動強度均可求出相應(yīng)的煩惱率值.而求取待定系數(shù)a、b的關(guān)鍵是引用實驗數(shù)據(jù)和規(guī)范資料，確定容許振動上下限umax、umin，國家標(biāo)準(zhǔn)制定不同使用場所的振動容許上下限時，均在基本舒適度曲線r0的基礎(chǔ)上乘以一定系數(shù)，ISO 2631-2給出了不同地點的舒適度上下限，即r0放大系數(shù)，見表3.

豎向振動r0=5×10-3m/s2，水平向振動r0=3.6×10-3m/s2，以要求嚴(yán)格區(qū)域豎向振動為例，umin=5×10-3m/s2，umax=2×10-2m/s2，根據(jù)式(7)可得

規(guī)范給出要求嚴(yán)格區(qū)域、住宅、辦公室及車間評價場所的振動上下限值，但是“房橋合一”結(jié)構(gòu)從結(jié)構(gòu)形式與荷載類型上，均與上述場所存在一定差異，并不適合直接引用其數(shù)據(jù)資料，不妨設(shè)定其振動容許上下限分別為r2、r1，國際標(biāo)準(zhǔn)ISO 2631表明同一地點及時間的容許上下限存在r2=4r1的規(guī)律，對于“房橋合一”結(jié)構(gòu)，其待定系數(shù)a、b為

表3 ISO 2631-2 采用的加速度放大倍數(shù)

4.2 振動強度概率分布與實際煩惱率

將鐵路客站的振動強度x的概率分布繪制成圖5～7，人群荷載下主梁跨度為40.5 m區(qū)域為集中坐席區(qū)，列車荷載下主梁跨度為40.5 m區(qū)域為直通列車候車區(qū)，而主梁跨度為32 m區(qū)域為客流通道及貴賓室，分為AC左右兩個區(qū)域.以振動強度與出現(xiàn)概率相對較高能夠反映高架站廳常態(tài)振動水平為原則，選取中心振級作為不同使用功能區(qū)域的振動強度.

圖5 直通列車候車區(qū)振動強度分布

圖6 集中坐席區(qū)振動強度分布

圖7 客流通道及貴賓室振動強度分布

Fig.7 Vibration intensity distribution of Passenger flow channel and VIP rooms

為獲得旅客對大跨度站廳振動效應(yīng)的主觀反應(yīng)，設(shè)計了考慮年齡、性別、姿態(tài)等多重因素的調(diào)研問卷，并獲得544份有效調(diào)研結(jié)果.基于模糊數(shù)學(xué)評價理論，對所獲調(diào)研數(shù)據(jù)進行分類統(tǒng)計處理，獲得了高架站廳不同功能區(qū)域的煩惱率值A(chǔ)(x)，將功能分區(qū)的振動強度與實際煩惱率值繪制成表4.

表4 站廳振動強度與煩惱率分布

4.3 容許下限值與振級

表4給出不同功能分區(qū)的振動強度x及煩惱率值A(chǔ)(x)，結(jié)合概念隸屬度函數(shù)，對式(6)逆運算可得“房橋合一”結(jié)構(gòu)不同功能區(qū)域的煩惱率-振動容許下限值曲線，見圖8～10.

圖8 88 dB煩惱率-容許下限值曲線

圖9 83 dB煩惱率-容許下限值曲線

圖10 73 dB煩惱率-容許下限值曲線

3種變異系數(shù)下的結(jié)果差異并不大，因此本文選取變異系數(shù)為0.3，根據(jù)煩惱率—振動容許下限值曲線計算得到不同區(qū)域的振動容許下限值r1及振動限值，見表5.與原標(biāo)準(zhǔn)限值對比可知，“房橋合一”結(jié)構(gòu)限值要求相對沒有那么嚴(yán)格，僅人群荷載下的限值為75 dB，基于不同結(jié)構(gòu)跨度與使用功能，局部區(qū)域振動限值為82 dB與90 dB.盡管該類結(jié)構(gòu)的設(shè)計跨度大，振動響應(yīng)明顯，但環(huán)境較為嘈雜，旅客對舒適度的要求相對降低.

表5 “房橋合一”容許下限及振動限值

Tab.5 Permissible lower limit and vibration limits of “Building-Bridge integration”

測試地點荷載類型結(jié)構(gòu)跨度/m實測資料容許下限r(nóng)1/(m·s-2)基本曲線倍數(shù)振動限值/dB直通列車候車區(qū)直通列車40．53．2′10-26．4090集中坐席區(qū)人群荷載40．55．7′10-31．1475客流通道、貴賓室直通列車32．01．3′10-22．6082

4.4 煩惱率曲線

基于“房橋合一”結(jié)構(gòu)體系的現(xiàn)場動力測試與旅客對振動效應(yīng)主觀反應(yīng)的調(diào)研，結(jié)合連續(xù)性分布的煩惱率模型，推導(dǎo)演算出不同功能分區(qū)的新容許振動下限值r1，進而給定新的振動限值.此限值可用來指導(dǎo)該類結(jié)構(gòu)體系的工程設(shè)計，確保結(jié)構(gòu)安全性的前提下，保證其舒適度要求，滿足建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計的經(jīng)濟性要求.但限值僅簡單的評價結(jié)構(gòu)是否滿足要求，并不能將任意振動強度下的煩惱率進行定量，通過建立的新容許下限值及方程組(7)得到概念隸屬度系數(shù)a、b，進一步結(jié)合式(6)建立關(guān)于“房橋合一”結(jié)構(gòu)的煩惱率曲線，計算結(jié)果見表6.不同功能分區(qū)煩惱率曲線見圖11～13.

表6 “房橋合一”結(jié)構(gòu)煩惱率曲線計算結(jié)果

Tab.6 Annoyance rate curve calculation results of “Building-Bridge Integration” structure

地點振動方向ab煩惱率曲線直通列車候車區(qū)豎向0．72132．4827圖11客流通道、貴賓室豎向0．72133．1325圖12集中坐席區(qū)豎向0．72133．7272圖13

圖11 直通列車候車區(qū)煩惱率曲線

由煩惱率曲線可得振動限值x對應(yīng)的煩惱率值為710-2左右，即結(jié)構(gòu)振動強度達到振動限值時室內(nèi)7%的旅客受到干擾反應(yīng)，振動強度為2x時，煩惱率為47%，4x下的煩惱率為89.9%，結(jié)果與振動舒適度標(biāo)準(zhǔn)對于不同振動水平下人的主觀反應(yīng)描述較為一致.

圖12 客流通道與貴賓室煩惱率曲線

圖13 集中坐席區(qū)煩惱率曲線

5 結(jié) 論

1) 連續(xù)分布的煩惱率模型考慮了人對振動主觀反應(yīng)判斷的模糊性及振動刺激感受的隨機性，并能將任意振動強度下的煩惱率量值化，對于工程結(jié)構(gòu)的舒適度評價更有意義.該方法具有普遍適用性，也可用于其他類型結(jié)構(gòu)的舒適度評價.

2)“房橋合一”新型結(jié)構(gòu)體系在人群荷載、直通列車荷載作用下的振動強度及峰值加速度基本上沒有超出標(biāo)準(zhǔn)限值，然而人對振動主觀反應(yīng)的調(diào)研結(jié)果表明不同區(qū)域的煩惱率為2%、10%，說明現(xiàn)有規(guī)范并不適合直接評價該類新型結(jié)構(gòu)的舒適性，需建立新的振動限值范圍.

3)基于已有的考慮了心理物理學(xué)的煩惱率模型與實測數(shù)據(jù)資料建立了該類結(jié)構(gòu)體系新的容許振動下限值r1，其對應(yīng)的新振動限值分別為90、82、75 dB，該類結(jié)構(gòu)振動限值范圍為75～90 dB，相對傳統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)限值而言要求適當(dāng)降低，其原因在于盡管結(jié)構(gòu)的設(shè)計跨度大，振動響應(yīng)明顯，但是環(huán)境較為嘈雜，旅客對舒適度的要求相對降低.

4)根據(jù)新容許振動下限值建立的相應(yīng)煩惱率曲線，可評估任意振動強度下產(chǎn)生干擾反應(yīng)的人群比例.振動強度為r1時，對應(yīng)的煩惱率值為7% ；振動強度為2r1時，對應(yīng)的煩惱率值為47%；振動強度為4r1時，對應(yīng)煩惱率值為89.9%，以上結(jié)果與舒適度標(biāo)準(zhǔn)對于不同振動水平下人的主觀反應(yīng)描述較為一致，其為滿足舒適度要求與經(jīng)濟性要求的建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計提供新的參考.

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Annoyance rate analysis of vibration comfort of “Building-Bridge Integration” station hall structure

YANG Na1，WANG Min1,2,3

(1.School of Civil Engineering, Beijing Jiaotong University, Beijing 100044, China; 2.Beijing’s Key Laboratory of Structural Wind Engineering and Urban Wind Environment(Beijing Jiaotong University), Beijing 100044, China; 3.Beijing Shougang landscape Co., Ltd., Beijing 100041, China)

To study the comfort of “Building-Bridge Integration” station hall structure under various dynamic loads and the applicability of the existing vibration norms, a large passenger railway station was tested under pedestrian load and transit train load, meanwhile field investigation were implemented to study crowd disturbance response under the vibration level. This paper established comfort quantitative indicators, which is suitable to evaluate the annoyance rate of “Building-Bridge Integration” structure, based on different load styles and structure spans, used the existed annoyance rate model considering the fuzziness and randomness. Results indicate that partial region vibration level is under perception value, practical annoyance rate is 2%; partial region vibration intensity exceeds 70 dB, theory annoyance rate is 50%, but practical annoyance rate is 2%, traditional comfort evaluation standard can’t accurately evaluate this structure type. Annoyance rate model can quantify annoyance rate under any vibration intensity, the vibration limit is between 75-90 dB, the result based on measured data is consistent with ISO standard in vibration response description, which make up deficiency of present comfort standard about long span“Building-Bridge Integration”.

large-span station hall; comfort; annoyance rate; tolerate limit of vibration; pedestrian load; vehicle load

(編輯 趙麗瑩)

10.11918/j.issn.0367-6234.201504016

2015-04-03

國家自然科學(xué)基金優(yōu)秀青年基金(51422801); 中央高校基本科研業(yè)務(wù)費專項資金(2012JBM007); 國家自然科學(xué)基金面上項目(51278049)

楊 娜(1974—),女,教授,博士生導(dǎo)師

楊 娜，nyang@bjtu.edu.cn

TU112.2+3

A

0367-6234(2017)06-0130-06