某文艺中心钢连廊人致振动舒适度试验及评价

顾佳炜，邓星河，刘为龙，胡建树，沈玥俊，黄振华

(1.嘉兴市秀湖发展投资集团有限公司，浙江 嘉兴 314000；2.中建一局集团建设发展有限公司，北京 100102； 3.嘉兴市秀洲区建设工程质量安全管理服务中心，浙江 嘉兴 314000)

0 引言

在满足建筑功能的要求下，大型公共建筑结构的安全性和舒适性日益引起人们的关注。而对于轻柔型的大跨结构，由于自振频率较低，人群在行走或跳跃时，产生的激振频率往往与结构自振频率接近，导致大跨结构振幅较大，因此，在人致振动作用下，往往造成来往人员的不舒适，急需对该类建筑物的舒适度开展研究。

娄宇等[1]在国内外相关研究基础上，提出了楼板振动的舒适度设计标准，并针对楼板振动的特点，对舒适度设计应采用的荷载取值进行了详细说明。折雄雄等[2]总结了部分大跨度楼盖竖向振动舒适度的规范标准。宋志刚[3]给出了人行走作用下楼板振动加速度响应的简易计算公式。陈刚等[4]分析了不同工况下单人、多人有序和随机活动下，某大跨度钢结构连廊的振动特性和舒适度。都磊[5]以某美术馆为背景，给出了考虑单人行走、跳跃的强迫共振模型及考虑人群活动随机性的随机振动模型。操礼林等[6]讨论了人体质量、人体刚度、人体阻尼及人行荷载等行人动力学参数对人行桥动力特性及人致振动响应的影响规律。惠晓丽等[7]基于人-结构耦合振动，对某钢结构连廊的人致振动舒适度进行评估，并对其产生的过量振动进行减振控制。罗敏杰等[8]在屋盖结构上布置调谐质量阻尼器，并通过多点输入计算屋盖结构的竖向加速度响应。综上，当前学者针对建筑物的舒适度研究多以结构关键点加速度响应作为衡量指标，当最大加速度响应值超过规范限值，则认为其舒适度不满足要求。

对于人群密度较大的文化艺术中心，钢桁架连廊跨度大，人员密集时易产生楼面大幅振动，舒适度问题突出。因此，本文以嘉兴文化艺术中心钢桁连廊为对象，着重探究其人致振动舒适度问题。

1 工程背景

嘉兴市文化艺术中心项目位于嘉兴市秀洲工业区新塍路北侧、秀洲大道西侧，是以开展文化艺术活动为主要功能的公共建筑。本工程地上共有三栋主塔楼(美术馆、剧场、图书馆)，主塔楼地上5层(夹层1层)，建筑高度28.75 m；地下1层，层高5.7 m。三栋塔楼间设置有大跨连廊，连廊采用钢桁架结构形式，每座连廊共布置纵横11榀桁架，桁架最大跨度为36.3 m，高度4.85 m，采用焊接H型钢截面，最大截面尺寸为H700×300×20×40，单榀重约32.5 t，材质为Q345GJB，连廊桁架平面布置图如图1所示。

由于连廊结构跨度较大，若结构的第一自振频率和人正常行走、跳跃的频率接近，容易产生共振。尽管结构的强度满足要求，不会发生强度引起的破坏，但是因为结构共振引起的加速度的振幅过大超过人体舒适度耐受极限，极易在人的心理上造成恐慌，因此，选择其中一个连廊结构进行动力特性现场振动测试。

2 钢桁连廊动力特性测试与分析

2.1 钢桁连廊动力特性分析测试方案

本次测试拟先根据动力特性测试确定结构的自振频率，求得连廊结构竖向前几阶振型的阻尼比。本次测试动力特性时采用环境激励，无额外加载。

为了准确得到振型并保证测量精度，根据现场条件建立网格，网格的每个节点处布置一个测点，每个测点上放置一个拾振器，其中M02号测点为参考点，测点布置如图2所示，所有测点均为竖向测点。

2.2 钢桁连廊动力特性测试与分析结果对比

采取基于环境随机激励的模态参数识别方法进行动力特性参数测试，借助东华测试有限公司的DHDAS动态信号采集分析系统，对拾振器采集的连廊板竖向加速度时程数据进行模态参数识别。结构前5阶计算阵型如表1所示，结构计算阵型图如图3所示。通过对测试数据分析，发现实测数据和计算模型在前3阶阵型上有较好的吻合，结构前3阶实测阵型和计算阵型对比结果如表2所示，实测阵型分别如图4所示。

表1 连廊竖向前五阶周期理论值

根据测试结果可知：实测前3阶频率与计算频率吻合较好，高阶频率吻合不太理想，可能的原因有：

1)高阶频率数值较大，人致振动产生的频率不足以完全激发高阶振型，可能会对实测值产生影响。

2)实际模型的构件连接方式处理往往不能达到理论计算时假定的理想状态，周边各塔各层的装饰材料、面层等尚未安装到位。

3) 实测时周围作为仍在进行，并且周围环境的其他噪声因素对结构也有一定的影响。

3 钢桁连廊人致振动舒适度试验及评价

3.1 钢桁连廊人致振动舒适度试验方案

测试连廊动力响应时采用人群行走荷载及小群人跳跃荷载。分别采用单人、五人、十人行走及奔跑，十人跳跃工况；其中，正常行走和奔跑振动频率分别为1.7 Hz和3.0 Hz，跳跃频率分别为1.6 Hz和2.4 Hz。测试过程中，行走的人员体重应接近70 kg，领走人员熟悉节拍器的使用并经过特定频率行走训练，经现场多次模拟训练和测试，确保能按照设定频率进行共同行走。测试中，行走或奔跑路线如图5(a)所示，小群人跳跃区域如图5(b)所示。

表2 连廊竖向前三阶周期理论值与实测值对比

人致振动响应测试测点布置如图6所示，因为现场条件，振动测试中的A01号测点删去，共9个测点，其中蓝色(实心圆)测点仅布置竖向加速度传感器，红色(空心圆)测点同时布置竖向和水平向加速度传感器，水平向加速度传感器用于确认人群行走对水平向振动影响的大小。本次测试所采用的仪器主要包括加速度传感器、节拍器、DH5922D动态信号采集分析系统、供电箱、节拍器等。

3.2 不同工况钢桁连廊人致振动舒适度试验结果对比

分别完成1.7 Hz,3.0 Hz频率下单人行走和奔跑(纵向和横向)， 5人行走和奔跑(纵向和横向)， 10人行走和奔跑(纵向和横向)， 1.6 Hz,2.4 Hz频率下 10人跳跃共14个工况下的人致振动测试试验，测试现场如图7所示。得到测试人员的加速度曲线，由此得到各测点的动力响应时程曲线。14个工况中，各测点人群激励响应测试结果汇总见表3，表中均方根、峰值及峰峰值含义如式(1)～式(3)所示。

(1)

(2)

(3)

表3 1人行走工况 mm/s2

3.3 钢桁连廊人致振动舒适度评价

由表2～表6可知：除了10人3 Hz横向行走和10人1.6 Hz跳跃时，测点3处的加速度值最大值超过JGJ/T 441—2019建筑楼盖结构振动舒适度技术规范规定的150 mm/s2的加速度限值外，其余各种工况下结构的加速度值基本都能满足规定。经过分析，发现测点3的部分峰值超过限值。

1)通过对比3号点与4号点在横向行走工况和跳跃工况下的响应，普遍存在3号点数值大于4号点数值的现象，但需要注意，峰值点并非同一时刻产生。由于3号点和4号点处于板的中部，在各工况进行中，产生上述原因确有可能因为线路问题和人员质量分布问题，导致3号点附近存在激励距离过近，数值偏大的可能。且跳跃工况下，3号点方差极大，说明确有可能是局部时间段力过大所致。

表4 5人行走工况 mm/s2

表5 10人行走工况 mm/s2

表6 10人跳跃工况 mm/s2

2)3 Hz 10人行走工况，3号点加速值超限，且方差不大，确有可能存在舒适度问题。但考虑到10人3 Hz为10人队列的高频小跑，该工况产生的可能性较低，且只有3号点局部产生加速度超限的现象，总体仍可判定为满足要求。

4 结论

本文对嘉兴文化艺术中心空中钢结构连廊开展现场测试、数值计算和对比分析工作，得出如下结论：

1)实测前两阶频率与计算频率吻合较好，高阶频率误差相对较大，根据现场测试与施工情况可能存在原因如下：a.高阶频率数值较大，人致振动产生的频率不足以完全激发高阶振型，可能会对实测值产生影响；b.结构实测时，部分装修工作尚未完成，数值计算中则按照荷载规范要求考虑楼盖荷载，数值模拟与实际情况的楼面荷载并不完全相同；c.开展实测时，楼盖周边的施工仍在继续，部分重型设施引起的持续振动以及其他高频环境激励给实测结果带来一定的影响。2)现场测试表明：各工况下结构的加速度响应基本都能满足JGJ/T 441—2019建筑楼盖结构振动舒适度技术规范规定的150 mm/s2的加速度限值。个别工况下的极少数点的加速度峰值超过限值，可能是由于现场测试时，受场地条件限制，测试人员跳跃距离拾振器过近，引起拾振器局部振动，导致其峰值相对偏高。3)建议后续开展有限元的人致振动分析，与实测值进行对比验证，从数值模拟角度对比分析个别点位振动超限的问题。