车致振动舒适性评价标准的对比研究_彭宇怀.pdf

Architectural and Structural Design建筑与结构设计1引言当轨道交通运行时，轮轨动态相互作用会产生振动，该振动向下经轨道结构、下部基础（隧道结构等）和周围土体等途径传播而致使地面及周围建筑物产生振动，并诱发建筑物室内振动和二次结构噪声，严重时可对人们的生产和生活产生显著影响。作为综合交通枢纽，机场建筑通常和地下轨道交通建筑直接相连，轨道交通引起的振动直接通过竖向结构构件向上传播，引起更加严重的振动影响。近年来，随着大型交通枢纽工程建设的不断增多，车致振动成为必须解决的难题。但由于目前环境振动控制标准尚无统一的模式，采用何种标准是结构设计面临的首要困境。美国AICS及国际标准化组织ISO针对人员感受制定了相关振动控制标准，我国和日本则针对建筑所在环境提出了环境振动的限值。为了量化车致振动对结构的影响，先要建立车辆与建筑结构的动力作用模型。但由于车致振动及其相关影响因素的随机性，对车辆与结构的动力相互作用进行分析极其复杂，目前尚无车辆-结构模型建立精确理论求解的方法。目前，主流求解思路是建立车辆结构的动力学模型，利用计算机编程分析，输入列车相关参数通过有限元分析软件进行计算，从而得到车辆与建筑结构的动力响应。通过有限元分析获得动力响应结果后，再利用GB508682013建筑工程容许振动标准1（以下简称“GB 50868”）、GB 100701988城 市 区 域 环 境 振 动 标 准 2（以 下 简 称“GB 10070”）及美国钢结构协会发布的AISC-11 Steel DesignGuide Series Floor Vibrations Due to Human Activity3（以下简称“AISC-11”）中的舒适性评价标准对结果进行评价，从而判断振动是否对人产生显著影响，是否需要采取响应减隔振措施。由于以上规范采用的评价标准并不相同，可能导致同一项目可能出现不同的评价结果，故针对规范的比较研究具有重要意义。2舒适度评价标准2.1GB 50868GB 50868中7.2.2条规定，交通振动对建筑物内人体舒适性影响的评价频率范围应为180 Hz，评价位置应取建筑物车致振动舒适性评价标准的对比研究Comparative Study of Different Vibration Comfort Evaluation Criterias彭宇怀（湖南省机场管理集团，长沙 410137）PENG Yu-huai(Hunan Airport Group,Changsha 410137,China)【摘要】为比较不同规范的差异，选取一则工程实例，采用有限元软件 ANSYS 建立列车-承轨结构-航站楼结构的力学模型，根据计算结果对 GB 508682013 建筑工程容许振动标准、GB 100701988 城市区域环境振动标准 及 AISC-11 Steel Design GuideSeries Floor Vibrations Due to Human Activity 的舒适度评价标准进行比对。【Abstract】In order to compare the differences between different standards,a Tran-Railbearing-Terminal mechanical model was made byANSYS according to an engineering example.The result of the model is use to compare the comfort evaluation criteria of three differentstandards as GB 508682013 Standard for Allowable Vibrations in Construction Engineering and GB 100701988 Standard forEnvironmental Vibrations in Urban Areas and AISC-11 Steel Design Guide Series:Floor Vibrations Due to Human Activity.【关键词】车致振动；交通枢纽工程；舒适性评价标准【Keywords】vehicle-induced vibration;transportation hub;comfort evaluation criteria【中图分类号】U270.1+1；TU973+.2【文献标志码】A【文章编号】1007-9467（2023）04-0023-04【DOI】10.13616/ki.gcjsysj.2023.04.007【作者简介】彭宇怀（1989），男，湖南长沙人，工程师，从事工程抗震研究。23Construction&DesignForProject工程建设与设计室内地面中央或室内地面敏感处。交通引起的振动对建筑物内人体舒适性影响的评价，应附加采用竖向四次方振动剂量值（VDVZ，单位为m/s1.75），竖向四次方振动剂量值应按式（1）计算：VDVZ=T0azw（t）4dt14（1）式中，azw（t）为按现行国家标准GB/T 13441.12007机械振动与冲击 人体暴露于全身振动的评价 第1部分：一般要求规定的基本频率计权Wk进行计权的瞬时竖向加速度，m/s2；T为昼间或夜间时间长度，s；t为时间。交通振动对建筑物内人体舒适性影响的容许振动值，宜按表1的规定确定。表 1GB 50868 对 VDVZ限值的建议建筑物类型时间容许竖向四次方振动剂量值/（m/s1.75）居住建筑昼间夜间0.20.1办公建筑车间办公区昼间昼间0.40.82.2GB 10070GB 10070采用记权均方根加速度算法，规定了城市各类区域铅垂向的Z振级VLZ限值（见表2）。Z振级VLZ为ISO2631-1 1997Mechanical vibration and shockEvaluation ofhuman exposure to whole-body vibrationPart 1:Generalrequirements规定的全身振动Z计权因子修正后得到的振动加速度级，单位为dB。表 2Z 振级 VLZ限值(Z 振级 VLZ/dB，a0=10-6m/s2)适用地带范围昼间夜间适用地带范围的划定特殊住宅区6565特别需要安宁的住宅区居民、文教区7067纯居民和文教、机关区混合区、商业中心区7572一般工业、商业、少量交通与居民混合区工业集中区7572在一个城市或区域内规划明确确定的工业区交通干线道路两侧7572车流量每小时 100 辆以上的道路两侧的区域铁路干线两侧8080距每日车流量不少于 20 列的铁道外轨 30 m 外的区域2.3AISC-11AISC-11中的Floor Vibrations Due to Human Activity对振动舒适性问题提供了设计依据。它基于钢-混凝土组合楼面系统的动力反应提出了适用于评判办公室、商场、室外人行天桥等类似环境的标准。AISC-11的评价标准也与国内规范类似，不同环境下的限值要求均不相同。对于人较易感受到振动的办公室、住宅的限值要求较高（峰值加速度约为0.5%g），对于室外等对振动不敏感的区域则较为宽松（峰值加速度约为5%g）。不同的是AISC-11还考虑了人对振动的敏感程度与振动的频率密切相关。从AISC-11的舒适度评价标准曲线可以看出，在48 Hz之间的振动限值较为严格，对48 Hz之外的振动的限值逐渐放宽，如图1所示。室外步行桥节律运动室内步行桥商业区餐/舞厅办公室、住宅ISO 均方根加速度基线峰值加速度/%25g10g5g2.5g1g0.5g0.25g0.1g0.05g13458 102540频率/Hz图 1AISC 舒适度评价标准曲线该标准与国内规范不同点在于，其加速度限值参照ISO2631-2 2003Mechanical vibration and shockEvaluation ofhuman exposure to whole-body vibrationPart 2:Vibration inbuildings(1 Hz to 80 Hz)推荐的基准曲线，而不是单纯地采用固定的限值。ISO标准以均方根加速度形式给出基准曲线，AISC-11在ISO标准基线的基础上乘以一定倍数作为不同振动环境的峰值加速度限值，这个倍数对办公室取10，对商业区和室内步行桥取30，对室外步行桥取100。设计中，该倍数可以根据振动持时和振动频率在0.81.5倍之间变动。43分析原理在结构的动力分析中，结构动力响应的求解是基于结构中的质量系统的动力平衡来完成的。基于经典的物理规律，式（2）给出了一个多自由度系统的动力平衡方程，它是一个关于时间的函数。5Mu?t+Cu?t+Kut=Ft（2）式中，M为质量矩阵；C为阻尼矩阵；K为结构单元系统的静力刚度矩阵；Ft为外力激励的时程向量；ut、u?t、u?t为节点的绝对位移、速度和加速度，它们皆是时间相关的向量。24Architectural and Structural Design建筑与结构设计通过对结构基本微分方程式（2)的时程分析求解，可得到结构在动力荷载作用下结构的基本响应。它将动力作用以时间函数的形式引入微分方程，并通过相应的积分方式得到结构每一时刻的响应以及响应的变化情况。4工程实例4.1工程概况长沙黄花机场T3航站楼总建筑面积53.2万m2，规划年旅客设计吞吐量4 000万/年人次，长沙黄花机场T3航站楼列车穿越涉及区域广泛（航站楼中心大厅、交通中心（GTC）、指廊）。机场下方有地铁6号线、10号线、S2号线和渝长厦高铁通过，其中渝长厦高铁包含正线（下穿关系见图2、航站楼分区示意见图3）。T3航站楼建筑主体结构采用钢筋混凝土形式，大厅主体采用钢筋混凝土框架，屋盖钢网架结构形式，C指廊主体采用钢筋混凝土（钢）框架，屋盖钢网架+桁架结构BD指廊采用钢筋混凝土（钢）框架结构，AE指廊采用钢筋（型钢）混凝土框架结构。6 号线S2 号线10 号线航站楼酒店渝长厦高铁GTC图 2长沙黄花机场 T3 航站楼的地下线路示意图图 3长沙黄花机场 T3 航站楼分区示意图4.2结构动力学模型模型对式（2）的求解采用直接积分法中的Newmark法，采用ANSYS软件进行有限元建模及计算。对黄花机场T3航站楼采用ANSYS软件建立有限元模型，本文中提取典型区域（E指廊）进行研究。黄花机场车致振动分析的有限元模型如图4和图5所示。模型中，钢材和混凝土的密度、重量以及强度均按照相关规范选取，柱和梁均以空间梁单元BEAM44进行模拟，按实际截面进行建模；楼板和墙面采用面单元SHELL181模拟。所有构件材料类型为弹性。在考虑动力荷载影响时，对混凝土的弹性模量考虑土体动弹模的放大系数，同时考虑乘以1.2的增大系数。质量源取1.0倍的恒荷载和0.5倍的活荷载。图 4黄花机场车致振动分析 E 指廊模型俯视图图 5黄花机场车致振动分析 E 指廊考虑环境土体4.3分析工况4.3.1激励计算工况说明根据E指廊可能出现的高铁列车通过条件，计算时主要考虑了以下激励工况。工况一：CRH3型列车以速度275 km/h通过车站。工况二：CRH3型列车启动出站，列车启动加速度为0.8m/s2。工况三：CRH3型列车进站减速直至停车，制动加速度为1.0 m/s2。4.3.2分析工况经过对黄花机场下穿高铁运行情况的考察，拟E指廊按25Construction&DesignForProject工程建设与设计3个工况进行计算（见表3）。表 3列车振动影响研究计算工况区域工况组合描述E 指廊组合 1渝长厦高铁 275 km/h 过站激励计算工况一组合 2渝长厦高铁 275 km/h 过站渝长厦高铁出站激励计算工况一+工况二组合 3渝长厦高铁 275 km/h 过站渝长厦高铁进站激励计算工况一+工况三4.4结果分析通过4