大跨度楼盖运动场内人员舒适度实测分析研究

马伯涛， 张　楠， 宋毛毛， 王明珠， 杨维国， 葛家琪

(1. 中国航空规划设计研究学院，北京　100120； 2. 北京交通大学 土木建筑工程学院，北京　100044)



大跨度楼盖运动场内人员舒适度实测分析研究

马伯涛1， 张楠2， 宋毛毛1， 王明珠1， 杨维国2， 葛家琪1

(1. 中国航空规划设计研究学院，北京100120； 2. 北京交通大学 土木建筑工程学院，北京100044)

近年来，多层大跨(悬挑)空间结构越来越多被城市所应用，如CCTV新塔楼、深圳证交所塔楼等以办公为主的高层异形建筑和不胜枚举的会展类建筑，跨度(悬挑)动辄超30 m；更有甚者，如伊金霍洛旗全民健身中心、北京大学附属小学等多层体育建筑，出现了在40 m跨度楼层上设置运动场的情况[1]。楼层(楼盖)结构跨度增大必然会使结构竖向自振频率降低，进而易与人步行或其它运动(跑步、跳跃、比赛运动等)频率发生共振，致使楼层结构振动超出人能够接受的程度。

关于人员舒适度的评价，我国《高层建筑混凝土结构技术规程》(JGJ3-2010，简称《规程》)参考美国应用技术委员会1999年颁布的设计指南1(ATC Design Guide 1)“减小楼盖振动”(Minimizing Floor Vibration)及ISO2631-2(1989)，提出了楼盖竖向振动所致人员舒适度的控制指标，具有重大意义。《规程》提出，对于竖向舒适度，钢筋混凝土楼盖结构竖向频率不宜小于3 Hz；对于结构形式复杂的楼盖结构，宜采用振动峰值加速度对舒适度进行控制及评价，竖向振动最大加速度amax不应超过表1限值。

表1　楼盖竖向振动加速度限值(JGJ3-2010)

注：f为楼盖竖向自振频率；当f处于2~4 Hz之间时，按表中数值线性插值。

但是，首先，人员舒适度与人的坐立姿态(坐、立、躺等)、工作状态(休息、办公、闲逛、运动等)、人种与身体状态等诸多因素相关，人员舒适度控制指标显然不能简单通过理论与试验获得，应该针对不同运动状态的人群进行大量现场调研来确定；比如运动场中，运动员和场边观众的舒适度就应采取不同的评价指标，目前国内外这方面的研究还不够完善[2-3]。其次，由于人员荷载的多样性，《规程》尚没有明确给出有限元时程分析所应采取的各类人员荷载模型，以及建筑装修对人员荷载的衰减作用。因此，大跨度楼盖结构，尤其是多层运动场建筑，如何预测与评价运动员和现场观众的舒适度尚需以大量的工程现场实测及舒适度调研为依据。

本文以伊金霍洛旗全民健身体育活动中心工程为背景，对首层球场自振特性、模拟激励荷载下振动和比赛现场进行振动实测，采用现场振动实测与涉及人员的舒适度调查问卷相结合的方法，对运动员和观众的舒适度进行评价研究，为后续相似工程和规范编制提供参考。

伊金霍洛旗全民健身体育活动中心工程总高度约30 m，结构外形总体呈下部楼层收进、上部大悬挑形状，地下设置游泳池，形成大空间结构。游泳池正上方为首层运动场，用于篮球比赛和羽毛球比赛等；该层采用大跨度张弦梁楼盖体系，短向跨度约40 m。楼盖梁板结构尺寸见文献[4]。建成后建筑如图1所示，结构整体模型和首层球场结构如图2所示。如此大跨度的楼盖结构上设置运动场，运动人员及场边观众舒适性需进行详细研究。

图1　建筑建成后照片Fig.1 The photo after the building being built-up

图2　工程结构模型Fig.2 Structural model of building

1大跨度楼盖动力参数实测分析研究

为充分了解大跨度楼盖在人员运动激励下的动力响应，为新建场馆大跨度楼盖振动舒适度预测提供技术参考，本章以具体工程为案例，对各种假设工况下大跨度张弦梁楼盖(运动场)进行振动加速度实测。

针对工程装修竣工前(即结构专业完成、但建筑装修尚未开始的时刻，简称：竣工前)和装修竣工后(简称：竣工后)分别进行现场实测，测点布置如图3所示。其中，南北方向5行，分别位于场地中心和南北两侧各5 m、10 m处，东西方向9列，分别位于5轴至13轴。

图3　测点图示Fig.3 Schematic diagram of measuring points

1.1场地脉动测试

在无显著外界激励的条件下，测量体育馆大跨度楼盖的振动状态，分析其在地脉动下的振动响应和频谱成份。测试分别在工程竣工前和竣工后进行，以对比场内装修对振动响应的影响。由于测试中不可避免掺杂偶然因素影响，分析时选取了其中60s影响相对较小的时段，由于各加速度峰值存在无代表性的孤立峰值，为减小孤立峰值对结果的影响，以有效值作为振动状态的评价指标。多次测量结果显示，竣工前楼盖测点东西向、南北向及竖向加速度平均有效值分别为0.21 mm/s2、0.24 mm/s2和0.12 mm/s2；竣工后楼盖测点三向加速度平均有效值分别为0.97 mm/s2、0.65 mm/s2和0.72 mm/s2，较竣工前有所增加。竣工前主场地可测到2~3 Hz的结构自振频率，竣工后由于场地装修，频谱成份更为复杂，多为测点局部地板的振动频率。

竣工前看台测点东西向、南北向及竖向加速度平均有效值分别为0.26 mm/s2、0.15 mm/s2和0.13 mm/s2；竣工后看台测点三向加速度平均有效值分别为0.34 mm/s2、0.42 mm/s2和0.38 mm/s2，较竣工前增加。竣工前后测试中看台测点均包含3 Hz、10 Hz及18 Hz卓越频率，比竣工前复杂。

由楼盖上运动场地的脉动测试可见，建筑装修后地板对楼盖振动特性有影响；尤其是在木地板的大跨度楼盖运动场上，分析预测人员舒适度时宜考虑建筑装修层的影响。

1.2张弦梁振动传递测试

张弦梁是本文选定大跨度楼盖工程案例的主受力构件。敲击张弦梁对应位置的楼板顶面上的点，测量张弦梁其它位置点振动幅值与敲击点振动幅值的比值及频域传递关系。为降低楼面装修层对主受力结构构件振动实测结果的影响，该实测在工程竣工前进行。

试验中，敲击E9点(即：图3中E轴与9轴的交点)，测量点为EA9及EN9。三次敲击中，振动加速度峰值对比见表2，可知敲击所致振动从距敲击点5m处沿张弦梁传递至距敲击点10 m处，振动加速度峰值衰减至92.3%。从频谱成份看，EA9及EN9点均包含3 Hz、10 Hz、18 Hz左右的卓越频率，为张弦梁的自振频率。

表2　测量点竖向加速度对比

1.3场地内人行激励测试

在建筑装修前的裸露楼板上进行人员激励荷载振动测试。测试人员在体育馆地面上走、跑激励，测量附近测点的振动加速度幅值及频谱成份。试验中，测点位于E5点，采取三种激励方式：① 三人同步在E6-E8间依次跑步行进；② 三人同步在E8-E6间正步行进；③ 三人同步在EA6-EB6间正步行进。三人体重分别为63 kg、66 kg、119 kg。

各测次三方向加速度幅值对比见表3。由测试结果可知，三种激励方式下，跑步激励产生的竖向加速度响应最大，而正步激励产生的横向加速度响应较大。测点处三方向最大加速度响应依次为21.09 mm/s2、22.67 mm/s2及134.14 mm/s2，三种激励下均不大于150.00 mm/s2。由频域分析可知，各频谱图中均包含2~3 Hz、10 Hz的卓越频率，为测点E5处张弦梁的自振频率。

表3　测量点振动加速度对比(单位：mm/s2)

1.4看台振动测试

多人在体育馆运动场中央跳跃，测量体育馆看台的加速度幅值及频谱成份。为对比体育馆装修、尤其是看台座椅安装对看台振动的影响，看台冲击测试分别在体育馆竣工前和竣工后进行。竣工前，参与跳跃激励的共计4人，总体重为289 kg；竣工后，参与跳跃激励的共计10人，总体重为663 kg。各次试验激励点均在E9附近。每次测试中人员跳跃三次，在四侧看台测点上测量振动加速度，并将三次测试结果取平均。各次跳跃产生的看台振动加速度最大值见表4。

表4　看台测量点振动加速度(单位:mm/s2)

由测量结果知，竣工前四侧看台上东西向、南北向及竖向振动加速度分别为50.53 mm/s2、22.33 mm/s2和19.04 mm/s2；竣工后四侧看台上东西向、南北向及竖向振动加速度分别为8.35 mm/s2、8.21 mm/s2和12.32 mm/s2；若将竣工后激励荷载(人员总重)按线性等效成与竣工前一致，四侧看台上东西向、南北向及竖向振动加速度分别为3.64 mm/s2、3.58 mm/s2、5.37 mm/s2。由于主场地地面装修，竣工后从主场地传递至看台的水平振动减少到竣工前的1/6~1/14，竖向振动减少到竣工前的1/3。在频域方面，竣工前、后均包含3 Hz、18 Hz卓越频率成份；此外，竣工后的测试信号中，还包含10 Hz左右的卓越频率成份，这些频率为看台支撑结构的自振频率。

2振动实测分析研究

建筑内人员舒适度与建筑的振动量值和建筑结构动力特性相关。本章通过调查问卷与振动实测相结合的方式，研究建筑振动与人员舒适度的对应关系，为人员舒适度评价提供参考。

2.1竣工后现场振动实测

针对建筑装修竣工后运营阶段场地进行测试。多名测试者在体育馆场地内进行篮球训练，测量场地及看台的振动状态，以分析体育馆正常使用时，上述位置的振动性能。测试时20~30名运动员在场地进行篮球训练，测点位置包括场地测点ES9、ES5、E5、EN5、EN9、EN13、E13、ES13，及东、南、西、北四侧看台的测点。

由实测结果知，篮球训练中场地周边实测振动三方向(东西向、南北向和竖向)加速度最大值分别达到32 m/s2、31 m/s2和74 m/s2。由于试验中测点布置在了木地板上，测得振动包括激励引起的地板局部振动，振型参与质量很小，此数值并不能直接反映体育馆场地整体的振动状态；且由于人员运动中会进入某传感器临近区域，各加速度峰值存在较多偶然因素，故不能以上述加速度峰值评价人员舒适度，宜以有效值作为振动状态的评价指标。由以上测量结果可见，各场地测点东西、南北及竖向加速度平均有效值分别为59 mm/s2、59 mm/s2和61 mm/s2，均不大于15 mm/s2。

四侧看台各测点三向(东西向、南北向及竖向)加速度峰值分别为15 mm/s2、32 mm/s2和21 mm/s2，平均有效值依次为1.6 mm/s2、1.6 mm/s2和1.9 mm/s2。参考美国ATC发布的“减小楼盖振动”设计指南中的建议：为满足舒适度要求，医院手术室、住宅及办公室、商场、室外人行天桥等不同环境下楼板的振动加速度峰值限值分别为：、、和。因此，体育馆正常使用状态下，由场地内运动引起的看台振动介于医院手术室和住宅的振动标准之间。

场地各测点所测得的振动包括频率较高的测点临近局部振动及频率较低的体育馆结构整体振动。为进一步研究体育馆使用状态下的整体振动，将以上各测点分别以80 Hz和20 Hz低通滤波，通过滤波后场地各测点三方向加速度峰值及有效值，见表5及表6。看台测点的振动量值低于m/s2，振动较小。

表5　篮球训练时场地测点振动加速度(80 Hz低通滤波)

表6　篮球训练时场地测点振动加速度(20 Hz低通滤波)

由上述滤波后的振动加速度峰值及有效值可见，体育馆使用状态下测点以20 Hz以上的局部振动为主。经20 Hz低通滤波之后，三方向加速度最大值分别为200 m/s2、60 m/s2、550 m/s2，超出“减小楼盖振动”设计指南中关于室外人行天桥振动加速度峰值()的建议。但是，20 Hz低通滤波情况下，仅仅在E13点竖向振动达到550 m/s2的振动量值，其它点均低于100 m/s2；E13点的振动量值测点周边低频走动所致。

通过对振动频域分析，张弦梁自振频率在2 Hz左右，看台支撑结构自振频率约为3 Hz，主场地还存在40 Hz、80 Hz为主的卓越频段，看台亦存在80 Hz为主的卓越频段，这些高频成份为测点处的局部振动频率。

2.2对比工程振动实测

伊金霍洛旗全民健身体育活动中心工程竣工后的结构振动实测显示，在场地内进行篮球训练时，场地地板个别竖向加速度峰值超过7 m/s2。为进一步评估上述数值是否由于大跨度楼盖引起，是否已显著影响体育馆的使用功能，课题组在北京交通大学体育馆(篮球场位于首层，无地下室)进行了补充振动测试，测试内容主要包括：人员带球跑振动效应测试；场地正常使用状态振动测试及远场振动效应对比测试。

体育馆测试在以下各点进行：场地周边点；场地中点；西半场三分线顶点；测点示意见图4。

图4　北交大篮球场测点图示(单位:mm)Fig.4 Schematic diagram of measuring points at basketball court of Beijing jiaotong university

带球跑所致振动效应测试中，受试者以相同速度跑步时，带球跑动所致N点三方向振动加速度幅值为不带球跑步的3.5~4.5倍，引起该现象的原因在于带球跑时球与木地板的短时间接触引起的振动比跑步引起的振动更容易通过地板传播至观测点，因此，拍球动作造成了一系列地板振动的较大峰值，不应认为带球跑对体育馆结构的输入振动能量不带球跑的数倍。

场地正常使用状态振动测试中，在场地东西半场分别进行制篮球比赛，共12人参加。依次测试了N、NE、E、SE、S、SW、W、NW点的三方向加速度，每点测量150 s。通过对测试结果进行分析，测试结果与伊旗体育中心测试相似，经20 Hz低通滤波后，测点各方向的加速度幅值均大幅度减小。可认为进行20 Hz低通滤波后的加速度为体育馆结构的振动，三方向振动加速度全时段最大值依次为76 mm/s2、86 mm/s2、129 mm/s2。

人对体育馆场地减振效应测试中，在东半场进行制篮球比赛，记录测点C处的三方向振动加速度。为研究人对体育馆场地的减振效应，试验分两次进行，第一次测量时，传感器周围无人，第二次测量时，传感器周围站立11人，两次测量中的加速度全时段峰值及5 s平均最大值见表7。

表7　人对体育馆场地减振效应测试结果 (单位：mm/s2)

由上表可见，有人站立在传感器周围时，三方向振动加速度较无人站立时减小2%至37%，能够在一定程度上降低地板面层局部振动。在频域上，多数测量结果中含有70~90 Hz卓越成份，此为体育馆装修木地板的局部振动频率。

3场地振动舒适度问卷调研

人的年龄、性别在建筑中的运动状态形式以及结构自身的动力特性以及不同年龄、不同状况的人对振动的不同反应等都会影响到人对振动的主观接受程度。因此，在完成伊金霍洛旗全民健身体育活动中心工程及北京交通大学体育馆动力测试的同时，本文进行了运动场地内及场地周边人员振动舒适度调查分析。为保证本次调查的可信度和准确度，调查采用现场随机选择调查对象，非导向性提问并现场记录。调查对象涵盖了运动员、运动员教练、体育馆工作人员及现场观众，基本包括了参与人员的各种类别，因此，他们的意见在总体上可以代表体育馆内群体。调查时同时记录调查对象的年龄、性别、身高、体重、测点位置及基本状态(包括是否闭眼、捂耳及坐立姿势)。

3.1伊旗体育中心舒适度调研

本次调查共计15人，分布在6个测点位置，分别为S7、S9、S13、N9、N13和A5；所有被调查对象中站立姿势的有9人，占60%，其他40%就地坐下；所有人员中80%没有闭眼和捂耳。调查问卷结果见表8。

表8　伊旗场地振动舒适度问卷调查统计表

调查结果显示，33.33%的被调查对象认为振动不可接受，这些对象的年龄分别为14岁、15岁、24岁、28岁和36岁，其中运动员2名，场地保洁人员1名，场边观众2名。其他人员均认为场地振动可以接受。从认为不可接受的人员分析来看，2名运动员(序号6、13)年龄较小，对振动感受较为敏感；场地保洁人员(序号1)因刚从安静的区域进入运动场地工作，与之前的工作环境形成反差，感觉较为强烈；而另外2名观众(序号9、15)均处于场地内而非看台座位，可能从真实观众角度来讲，感受到的振动相对较大。5名感到振动不可接受人员有3位为坐姿，对振动的感受相对更加强烈。在所有认为振动可以接受的人员中，运动员表示与其他场地振动感觉较为相似，无特殊强烈振感。从调查结果整体来看，该体育中心主场地在正常使用时，运动员及场地周边人员基本没有产生强烈的不适，也没有影响其各自正常的行为。

3.2北京交通大学体育馆舒适度调研

本次调查共计17人，调查结果见表9。

表9　北交大场地振动舒适度问卷调查统计表

注：“测点”位置见图4，其中E、S、W、N分别表示东、南、西、北。

从调查结果来看，全部被调查对象认为振动可接受。因此，体育场在正常使用时，运动员及场地周边人员没有产生强烈的不适，也没有影响其各自正常的行为。

4结论

本文对伊金霍洛旗全民健身中心装修前后现场测试及北京交通大学体育馆对比工程进行了现场振动实测，尽可能详细的公开了振动实测结果和对应振动量值下各类人员的舒适度调查问卷结果，针对案例工程分析研究提出如下结论与建议：

(1) 通过对装修前后大跨度楼盖进行现场实测分析研究，得到了该大跨度楼盖详细的动力参数，便于指导后续相似工程进行振动预测；

(2) 根据装修前后大跨度楼盖现场实测以及装修后使用状态振动测试可知，木地板对振动量值有很大影响，但由于其振型参与质量很小，不会对人员舒适度有较大影响；

(3) 两场地对比实测和现场舒适度调查问卷结果显示，实际比赛中运动场地振动不会对运动员的发挥产生不利影响，且运动场内的正常使用(比赛等活动)不会使运动场边人员及看台观众感觉不舒适。

本文仅对个别工程案例进行了实测和调查问卷研究，并不能涵盖所有工程情况，后续有待进一步丰富工程数据；如何精确考虑装修木地板与裸露楼板之间的共同作用及相干性，以及装修地板对结构振动的影响等问题，有待进一步深入研究。

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第一作者 马伯涛 男，高级工程师，1981年生

邮箱：544166780@qq.com

摘要：提出采用现场振动实测与调查问卷相结合的方法研究人员舒适度问题。以伊金霍洛旗全民健身活动中心大跨度楼盖运动场为工程背景，在建筑装修前和装修后对该楼盖进行详细的现场振动实测，明确其动力特性参数；在建筑装修后的运营阶段，进行正常使用状态(篮球训练)下的现场振动测试，同时对运动员、教练员、观众发放调查问卷记录其舒适度。以北京交通大学体育馆篮球比赛作为相似案例，进行现场振动测试和调查问卷。研究得出：木地板装修层对振动量值有很大影响，但不会对人员舒适度有较大影响；大跨度楼盖虽然卓越频率在2~3 Hz，但是经合理设计也能满足人员舒适度控制要求。以实测数据为体育馆内运动员及观众舒适度评价提供了参考。

关键词：舒适度；大跨度楼盖运动场；现场实测；调查问卷

Tests and questionaries to analyse the human comfort in long-span gymnasium

MABo-tao1,ZHANGNan2,SONGMao-mao1,WANGMing-zhu1,YANGWei-guo2,GEJia-qi1(1. China Aviation Planning and Design Institute (Group) Co., Ltd.，Beijing 100120, China; 2. School of Civil Engineering, Beijing Jiaotong University, Beijing 100044, China)

Abstract:A method combining field vibration tests and questionnaires to analyze human comfort was proposed. Taking the gymnasium of National Fitness Center in Ejinhoro Banner with long-span floor as an engineering background, detailed vibration tests on the long-span floor were carried out before and after the decoration, and the dynamic parameters of the long-span floor were obtained through these tests. The field vibration tests under a normal working condition (basketball training) was conducted after the decoration, and questionnaires were issued to athletes, coaches and spectators to record their feelings. Taking a basketball game in Beijing Jiaotong University Gymnasium as a similar case, the field vibration tests and questionnaires were also conducted. The results show that, the wood floor decoration layer has a great influence on the vibration magnitude, but has no greater impact on the human comfort. The long-span floor’s predominant frequency is about 2~3 Hz, but it can still meet the control requirements of human comfort by suitable designing. The field test data provide a reference to the comfort evaluation for athletes and spectators in stadium.

Key words:comfort; long-span gymnasium; field test; questionnairy

中图分类号:TU393.3;TU311.3

文献标志码：A DOI:10.13465/j.cnki.jvs.2015.24.027

通信作者宋毛毛 女，工程师，1991年生

收稿日期：2014-09-18修改稿收到日期：2014-12-03