某多塔大底盘复杂连廊结构人激荷载振动测试研究_陈燃.pdf

建 筑 监 督 检 测 与 造 价 第 15 卷 第 6 期 6 Supervision Test and Cost of Construction 2022 年 12 月 作者简介：作者简介：陈燃（1982），男，硕士研究生，高级工程师，主要从事建设工程检测鉴定工作。某多塔大底盘复杂连廊结构人激荷载振动测试研究某多塔大底盘复杂连廊结构人激荷载振动测试研究 陈 燃 （广东省建设工程质量安全检测总站有限公司，广东 广州 510500）摘要：摘要：针对复杂连廊结构在人激荷载作用下的振动舒适度问题，本文以某大底盘连体结构商业中心的 3 座钢结构连廊为研究对象，由于模态分析表明 3 座连廊的 1 阶竖向自振频率都处于正常人行荷载频率范围内，容易引发结构共振，造成舒适度问题，所以对结构施工完成后进行人行荷载激励下的动力测试，分析其人致振动特性，并评估其振动响应。结果表明，此 3 座连廊均能满足行人对于舒适度的要求。现场实测和分析的结果对此类人致振动舒适度评价应用具有参考价值。关键词：关键词：多塔结构；连体结构；人行荷载；舒适度；现场实测；连廊 中图分类号：中图分类号：TU375 文献标识码：文献标识码：A 文章编号：文章编号：1674-2133（2022）06-06-05 Study on Vibration Test of A Multi Tower Large Chassis Complex Corridor Structure Subjected to Human Induced Load Vibration CHEN Ran(Guangdong Construction Engineering Quality&Safety Testing Head Station Co.,Ltd.Guangzhou,Guangdong 510500,China)Abstract:Aiming at the vibration comfort of complex corridor structure under the action of human excitation,this paper takes three steel structure corridors in the commercial center of a large chassis conjoined structure as the research object，as the modal analysis shows that the first vertical natural frequencies of the three corridors are all in the normal range of pedestrian load frequency,which is easy to cause structural resonance and cause comfort problems,so the dynamic test under pedestrian load excitation is carried out after the completion of the structure construction to analyze the characteristics of human induced vibration and evaluate its vibration response.The results show that the three corridors can meet the requirements of pedestrian comfort without vibration control.The results of field measurement and analysis have reference value for the evaluation and application of human induced vibration comfort.Keywords:Multi-tower structure;Conjoined structure;Pedestrian load;Comfort degree;Field measurement;Corridor 1 1 前言前言 近年来，随着高层建筑形式的迅猛发展以及对单体建筑使用功能的提高，许多工程都采用了底部大裙房，上部多塔楼的建筑结构形式。而上部的塔楼建筑中有的又在两两塔楼之间做一层乃至多层的空中连接走廊，形成连体建筑。其作用一方面是通过空中连廊将不同塔楼连在一起形成一个相对整体，使塔楼之间交通更加便利、舒适和快捷。另一方面，相对于单体建筑，其造型更加新颖时尚，带来强烈的视觉冲击1。连廊的设计和城市人行天桥一样，必须注重安全性、舒适性、耐久性2。然而随着轻质高强材料的广泛应用，连廊向着轻柔、美观、大跨度的方向发展，导致其自振频率较低，而人行荷载是连廊结构的主要荷载形式，同样具有低频的特点，这就导致结构的自振频率有可能 2022 No.6 陈 燃：某多塔大底盘复杂连廊结构人激荷载振动测试研究 7 落入行人步频范围内，降低其舒适度，甚至会发生人桥共振继而引发安全事故2。英国伦敦的千禧桥是其中最为典型的例子3，该桥开放当日，在人群荷载激励下产生了较大的横向振动响应，在限制人流量后仍不满足舒适度的要求，因此为了安全临时关闭该桥。我国的武汉长江大桥，杭州解百天桥等4，均发生过由于人行荷载导致的振动舒适度问题。因此，对于此类轻柔、大跨度的人行天桥或者连廊，人群激励下的动力反应是不容忽视的。国内关于振动舒适度的问题都偏向人行天桥，对于这类多塔大底盘复杂的连廊结构在人群荷载作用下动力响应情况研究较少，且很多案例研究都是通过数值模拟的方法，缺乏实测数据的参考。本文以某大底盘连体结构商业中心的 3 座钢结构连廊为研究对象，进行了环境激励下的模态测试和人群荷载作用下的动力响应测试，研究了连廊在不同人行荷载频率下的振动响应。现场实测和分析的结果对此类人致振动舒适度评价应用具有参考价值。2 2 工程概况工程概况 2 2.1.1 连廊概况连廊概况 本次实测的项目是一个大底盘4 塔连体结构，项目的整体外观如图 1 所示。该项目共有 7 座钢结构连廊，分布在塔楼的第二层到第四层之间，作为不同塔楼之间的连通，且仅供行人行走。本次测试的对象是位于塔楼第四层的三座连廊 CA、CB和 CC，跨度为别为 29.5m、38m、31.7m，连廊三维图形如图 2。蓝色方框标记为连廊主跨部分，其余为附加面积。MP1、MP2、MP3 是连廊的三个测点，分别位于连廊的跨中和左右 1/4 跨距的位置。和传统的人行天桥不同，此次测试的连廊俯视图不是比较规整的矩形，在其跨中两端还附加了更大的面积，主要是为了增加商场行人的活动面积，避免出现拥挤，这样同样也导致了人流量的增加。其结构形式为单跨钢结构，主跨截面是由钢板组成的箱梁结构。左右两端附加的主梁和次梁均采用工字钢，面板为 3mm 厚的压型钢板，上面铺有一层 100mm 厚的钢筋混凝土。1 1号塔楼号塔楼2 2号塔楼号塔楼3 3号塔楼号塔楼4 4号塔楼号塔楼 图图 1 建筑效果图建筑效果图 主跨主跨MP2MP1MP3(a)C1 连廊连廊 MP2MP1MP3主跨主跨(b)C2 连廊连廊 MP2MP1MP3主跨主跨(c)C3 连廊连廊 图图 2 连廊三维模型图连廊三维模型图 8 建 筑 监 督 检 测 与 造 价 第 15 卷 第 6 期 2 2.2.2 舒适度指标舒适度指标 在人群等振动荷载作用下，连廊有可能出现大幅振动，从而给行人带来不适的心里反应，因此，分析连廊振动幅度、评价行人的舒适性十分必要。大量研究表明7-9，人的舒适度感受可以采用楼盖的振动加速度响应来进行评估。本项目采用峰值加速度来对连廊进行舒适度评价。峰值加速度限值如表 1 所示。Design of Footbridges Guideline，RFS2-CT-2007 中提出人行荷载激励下，横桥向的不利频率区间为 0.5Hz1.2Hz，上述 3 座连廊的自振频率均不在这个区间，连廊发生横向共振的可能性非常小，且横桥向的激励与竖向相比较小，因此本项目只考虑竖向加速度的影响，限值为0.15m/s2。表表 1 加速度峰值限值（加速度峰值限值（m/s2）楼盖类别 竖向 横向 封闭连廊和室内天桥 0.15 0.1 不封闭连廊和室外天桥 0.5 0.1 3 3 连廊连廊测试测试概况概况 3 3.1.1 测试仪器设备测试仪器设备 数据采集系统采用的 uTekl uT8916FRS，具有21 条采集通道，24 位分辨率的性能，动态范围120db，最高采样频率 128kHz。拾振器采用中国地震局工程力学研究所 941-B型垂直加速度传感器，其性能指标为：灵敏度为 16.89v/g，加速度范围0.5g，频率范围 0.25Hz80Hz，连廊的主频一般低于 10Hz，能够满足测试的要求。采集系统的现场应用如图 3 所示。这些传感器通过电缆连接到采集系统，然后在 Matlab 中对获得的数据进行后处理。3 3.2.2 测试方案及测点布置测试方案及测点布置 由于这 3 座连廊结构主要设计功能为商场中人流的通行，服役期间会承受多种情况的人激荷载。对结构施工完成后进行人行荷载激励下的动力测试，分析其人致振动特性，并评估其振动响应。图图 3 仪器设备图仪器设备图 连廊的现场实测共包括两个部分，一是通过环境的白噪声激励来获得结构的动力特性，即连廊的自振频率，测点布置在连廊的跨中 MP2 处。二是在人行荷载激励下的动态响应测试，通过各种不同频率的人行荷载来观察连廊的振动响应情况，对于单跨简支梁来说，结构振动响应最大值一般发生在跨中位置，故测点布置在连廊跨中和左右两侧 1/4 跨距处，如图 2 所示。连廊上的行人经常是人群形式，人群中各人之间的相位、步频都不尽相同，精确的分析方式应该是基于概率分布的分析方法。随机人群荷载的模拟是基于假定桥面上形成持续稳定的人流，人群在桥面上均匀分布，行人的步频相同，相位角随机分布。一般认为，当人群密度小于 0.5 人/m2时，属于低密度人群，当人群密度大于 1 人/m2时，属于高密度人群，人群空间分布状态见表 2。本测试人群密度取为 1 人/m2，这样能较好的体现连廊在服役期间可能遇到的人行荷载，然后依据概率理论知识，根据按人群密度计算出的连廊上的行人总数，将桥面上人群荷载折算成相应的等效人数，即桥面上随机人群引起的结构响应等于步频及相位角完全一致的等效人数引起的结构响应。根据法国人行桥技术指南人行桥在人行荷载下的动力行为 当行人密度为高密度人群时，因为行人前后间距变小，已不能自由的按本人意愿行走，高密 2022 No.6 陈 燃：某多塔大底盘复杂连廊结构人激荷载振动测试研究 9 度情况下，行人之间的步频已完全同步，只是相位不同，按照随机概率分布模拟方法，计算得三座连廊的等效人数分别为 22、31、23 人。表表 2 人群空间分布状态人群空间分布状态 分布状态 人行密度（m/s2）自由行走状态 0.3 稍密状态 0.30.6 稠密状态 0.61.0 非常稠密状态 1.01.5 拥挤状态 1.53.0 表表 3 测试荷载工况表测试荷载工况表 工况 频率/Hz 描述 等效人数/人 持续时间（s）CA-1 1.6 稠密状态 22 90 CA-2 1.9 稠密状态 22 90 CA-3 2.2 共振频率 22 90 CA-4 2.5 稠密状态 22 90 CB-1 1.8 共振频率 31 90 CB-2 2.1 稠密状态 31 90 CB-3 2.4 稠密状态 31 90 CB-4 2.7 稠密状态 31 90 CC-1 1.8 稠密状态 23 90s CC-2 2.1 稠密状态 23 90s CC-3 2.4 共振频率 23 90s CC-4 2.7 稠密状态 23 90s 基于上述理