长沙南站二期大跨楼盖人致振动控制研究.pdf

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1、第 卷 第 期 年 月上建 筑 结 构 长沙南站二期大跨楼盖人致振动控制研究周朝阳， 刘会强， 朱志辉， 周德良， 孙 智， 刘 君（中南大学土木工程学院，长沙 ；中国汽车工业工程有限公司，天津 ；中南建筑设计院股份有限公司，武汉 ；中国建筑第五工程局有限公司，长沙 ） 摘要 支座约束对大跨楼盖振动的影响不可忽略， 研究支座对大跨楼盖振动的影响对楼盖采取合理有效的减振措施十分重要。通过采用 软件对高铁枢纽长沙南站站房建立整体有限元模型， 采用 向量法对结构进行模态分析， 系统地研究了大跨楼盖的竖向振动响应。通过时程分析法和多点输入对两跨支座约束不同的大跨楼盖进行了振动舒适度分析。根据不同大跨楼

2、盖的振动特性， 分别提出了调谐质量阻尼器（） 的减振设计方法。分析及现场实测结果表明， 跨度及结构形式相同而支座约束不同的大跨楼盖的振动响应有差距， 分别采取减振措施后， 减振效果非常明显。 关键词 长沙南站；支座约束；大跨楼盖；调谐质量阻尼器；振动控制；现场实测中图分类号： 文献标识码：文章编号： （ ） ， ， ， ， ， （ ， ， ， ； ， ， ； ， ， ， ； ， ， ， ） ： ， （） ， ， ： ； ； ； ； ； 长江学者和创新团队发展计划（ ） ， 国家自然科学基金资 助项目（ ， ） 。 作者简介： 周朝阳， 博 士， 教授， 博士生导师， ： 。 引言由于高铁枢纽建

3、设周期长、 投资大， 许多站房会选择分期建设。考虑到新旧站房建设时间的差异，新建站房的沉降还不稳定， 因此对接处的大跨楼盖结构要采用特殊设计（ 简支在伸出的牛腿上） ， 与常规不同的设计会对大跨楼盖的振动舒适度产生不同的影响。 等研究表明， 当楼板的跨度和楼面的结构振动的基频满足 时， 应该进行楼面的振动舒适度设计。高铁站房的大跨楼盖由于结构自身阻尼小、 跨度大而且容易出现人员密集情况， 其在人群荷载激励下容易出现共振， 从而使加速度超过人体舒适度耐受极限， 给人造成不适甚至引起恐慌，。因此有必要对高铁站房中的大跨楼盖振动舒适度进行分析， 并对不满足人体舒适度要求的大跨结构采取相应的减振措施。

4、 工程概况高铁枢纽长沙南站共站分场（ 武广线与沪昆线）建设， 并与地铁系统立体化同时建设。为满足地铁建设需求， 高架层采用钢管混凝土柱和钢桁架组合的结构方案， 最大跨度达到 （瑏瑣轴间） ， 楼盖为压型钢板非组合楼盖。轴间轴桁架和瑏瑣轴桁架西侧固接在轴柱上， 东侧简支在轴第 卷 第 期周朝阳， 等长沙南站二期大跨楼盖人致振动控制研究柱向西伸出的牛腿上， 而且支承在牛腿上的 跨桁架只在西侧与东西向次桁架相连。因此， 东西向桁架在东侧受到的约束较弱， 显然该区格楼盖约束不同于其他区格楼盖。以轴 间 和轴 间两跨 跨 度 相同、 结构形式相同但支座约束不同的大跨楼盖（ 图） 为基础， 分析人群荷载激

5、励下大跨楼盖振动响应的区别， 并根据各自的振动响应分别提出减振措施，采用调谐质量阻尼器（） 对楼盖进行振动控制。现场对减振前后两跨支座约束不同的大跨楼盖进行实测， 并对理论计算结果和实测结果进行对比分析。图 结构部分平面图以及人群荷载激励和布置图 结构有限元建模及特性分析图 高铁枢纽长沙南站站房有限元模型高铁枢纽长沙南站站房是桥建合一、 复杂的建筑结构， 应用 软件建立三维精细有限元整体模型（ 图） ， 采用 向量法对结构进行模态分析。 软件分析结果显示， 大跨楼盖的自振周期比较密集。进行动力时程分析时， 需要选取充分的振型来满足振型质量参与系数达到 的要求。根据有限元结果， 结构的前几阶振型

6、以平动和扭转为主，轴间楼盖竖向 振动基 频 为 ，轴 间 楼 盖 竖 向 振 动 基 频 为 ， 大跨楼盖部分振型示意见图。图 大跨楼盖振型示意图 人群荷载激励下楼盖振动舒适度分析 人群荷载模拟 人群荷载模拟人群荷载激励曲线采用国际桥梁及结构工程协会 （ ） 曲线：（） （） （）式中：为行人激励荷载， ；为时间，；为行人平均重量， ；为步频， ； 系数 （） ， ，。取行人快速行走频率为 ， 慢速行走频率为 ； 行人质量取 人， 人群荷载激励曲线如图所示。图 人群荷载激励曲线考虑到此类状况一般会出现在乘客上车的高峰期， 因此分析时假定此时每平方米有一位乘客， 加载位置位于乘客上车的走道上；

7、并假定所有人员均按照相同的频率行走， 但起步相位不同， 并且从，均匀分布。 踏步荷载模拟当人原地踏步时， 人体重心前后保持不变、 上下基本保持不变， 只有左右方向的交替变化， 因此原地踏步（ 竖向） 激励曲线如图所示， 其与人群荷载激励曲线有所不同。 跑步荷载模拟当多人在大跨楼盖上奔跑时， 跑步荷载激励曲线与式（） 相同， 频率取慢跑 、 快跑 两建 筑 结 构 年图 原地踏步（ 竖向） 激励曲线种工况， 荷载作用范围取 ， 等效均布荷载为 。 振动舒适度分析 分析工况定义大跨楼盖结构人群荷载激励振动分析时根据进站通道口的分布情况， 同时考虑到轴间和轴间楼盖结构的特殊性， 将荷载分布在这两区域

8、上（ 图方框区域） 。高铁实际运营时， 并不是所有的进站口同时进站上车， 因此分别在相应楼盖区域内施加人行荷载。为对比不同支座约束对大跨楼盖振动的影响，轴间和轴间楼盖上采用相同的工况进行激励， 定义的荷载工况如表所示。定义的荷载工况表工况行走跑步踏步人群活动类型慢走快走慢跑快跑慢速 普速 快速荷载类型行走荷载跑步荷载踏步荷载荷载布置说明乘车高峰期，人乘客赶车， 跑步 速度不同大量乘客在原 地来回走动频率 分析结果根据上述定义的荷载工况， 应用模拟的荷载曲线， 对未采取减振措施的高架层楼盖进行了人行荷载激励下的动力响应分析， 分析结果如表所示。由表可知，轴间和轴间楼盖减振前的加速度峰值最大分别达

9、到了 ， 左右， 远超过美国钢结构楼盖振动控制标准的上限值 ， 因此有必要对该结构进 行减振设计与分析。 大跨楼盖减振设计与分析采用多点调谐质量阻尼器对该大跨楼盖结构进行消能减振设计。 大跨楼盖减振系统的原理分析附加竖向 的多自由度系统在竖向人群荷减振前后竖向振动加速度峰值计算值对比表人群 位置荷载 类型频率 减振前加速度 峰值 （）减振后加速 度峰值 （）减振率 轴间踏步 荷载行走 荷载跑步 荷载 轴间踏步 荷载行走 荷载跑步 荷载 载激励下的动力方程可表示为： （） 熿燀燄燅， 熿燀燄燅 熿燀燄燅，烅烄烆烍烌烎，（） 烅烄烆烍烌烎式中：，分别为主结构的质量、 阻尼和刚度矩阵；，分别为各的质

10、量、 阻尼和刚度矩 阵；为 主 结 构 相 对 地 面 的 位 移；为 各相对主结构的位移向量（ 仅为竖向分量， 水平分量为零） ；为作用位置矩阵， 其中第列向量， ， ，（在第行） 表 示第个 设置在结构的第个节点处， 分析时需按照 实际布置进行调整；（） 为人群荷 载动力时程。 大跨楼盖调谐质量阻尼器减振设计通过以上有限元分析可知， 人群荷载激励下的大跨楼盖加速度峰值分布规律不仅与荷载步频和结构振型有着密切联系， 还和大跨楼盖的支座约束有着很大关系。针对 （） 减振系统特点和大跨楼盖的振动特性以及支座约束的不同， 建议此类大跨楼盖结构在人行荷载激励下采用以下方法进行楼盖振动舒适度 减振系统

11、设计：） 针对大跨楼盖的支座约束情况建立有限元模型， 确定大跨楼盖的边界条件；） 分别进行动力响应分析， 得到影响大跨楼盖结构竖向振动较大的振型；） 根据得第 卷 第 期周朝阳， 等长沙南站二期大跨楼盖人致振动控制研究到的振型和结构响应分布规律， 并结合设计图， 初步确定各大跨楼盖的 布置位置和初始频率；） 分别进行人群荷载激励下大跨楼盖 减振分析， 并根据减振效果调整 减振系统的设计参数；） 最终分别确定最优参数， 使得减振效果达到最好；） 安装好 减振系统后进行现场实测， 检验减振效果。根据上述减振设计方法， 结合本工程结构特点和人群荷载激励下的响应， 分别将 减振系统布置在对应模态的位移

12、峰值处。通过反复计算调整， 最终分别确定减振设计方案， 和 的数量分别为 个和 个，减振系统布置见图， 减振系统设计参数见表。减振系统设计参数表减振系 统编号弹簧刚度 （ ）质量块 质量 调频频率 阻尼 指数阻尼系数 （） 现场实测与减振效果分析为了检验 减振系统的减振效果， 验证分析的正确性， 分别对轴间和轴间楼盖进行了减振前后的动力测试。荷载工况与理论分析时采用的工况相同。表列出了该两跨楼盖前阶竖向自振频率理论计算值和实测值对比， 表列出了减振前后竖向振动加速度峰值实测值对比。采用减振率来准确方便表达安装 减振楼盖前阶竖向自振频率理论计算值与实测值对比表楼板区格阶次理论计算值 实测值 轴间

13、 轴间 系统后大跨楼盖的减振效果， 减振率减振前加速度峰值减振后加速度峰值减振前加速度峰值。由表和表可知， 所设计的 减振系统在各种人群荷载工况下均有明显的减振效果， 大跨楼盖的平均减振率分别达到 ， 。从减振效果来看， 减振前振动响应较小的工况减振率较小，减振前振动响应较大的工况减振率较大， 因此使得各种荷载工况下的竖向振动加速度峰值更为接近，所以该减振方案对各个大跨楼盖的减振起到了很好的效果。 结语与建议高铁枢纽长沙南站新旧站房对接部位为其候车层大跨楼盖需要进行振动控制的关键部位， 应针对不同的结构形式， 采用不同的减振系统设计方法。减振设计时对此情况进行了重点考虑， 经理论和实践验证设计

14、达到了预期目的， 支座约束不同的两跨大跨 楼 盖 的 平 均 振 动 响 应 减 振 率 分 别 达 到 了 ， ， 说明 振动控制技术对保证大跨楼盖的舒适度起到了非常重要的作用。当人群以较高频率对大跨楼盖形成激励时， 若人数较少， 则该大跨楼盖竖向振动加速度能够满足美国钢结构楼盖振动控制标准要求； 若人数较多， 则该大跨楼盖竖向振动加速度不能满足美国钢结构楼盖振动控制标准要求。尽管在无组织情况下大量人群以较高频率对楼板进行激励的发生概率微乎其微， 但仍建议在该大跨楼盖使用过程中应注意防止大量人群在同一区格内同步运动。参考文献 ， ： ， ， （） ： ， ， ， ， （） ： ， ， ： ， ， （） ： 操礼林， 李爱群， 张志强， 等大跨度组合楼盖人致振动分析与实测研究 西南交通大学学报， ， （） ： 陈政清， 华旭刚人行桥的振动与动力设计北京：人民交通出版社， ： ： ： ，