铁路客站候车室楼盖振动舒适度研究

2011-05-04姜锐

铁道建筑 2011年8期

姜锐

(铁道部经济规划研究院，北京 100038)

大型“站桥合一”结构的高架候车室楼盖具有跨度大(多数超过40 m)、刚度小、基频低等特点。候车室旅客活动以及下部轨道层列车通过所产生的振动均会在楼盖中产生较为显著的竖向动力响应，给人带来不适感，从而影响楼盖的使用。研究表明，即使楼盖的强度与变形满足规范要求，其舒适度也可能不满足使用要求。目前，关于客站大跨度楼盖的舒适度研究甚少，也无相应的评价标准。本文从人群活动和列车通过两个方面，分别说明了楼盖舒适度研究现状，总结了国内外关于舒适度的相关标准，提出铁路客站大跨度楼盖舒适度进一步研究的建议。

1 人群活动引起的楼盖舒适度研究

关于人群活动引起的楼盖舒适度问题研究较早，主要内容包括人群激励荷载的模拟和楼盖动力模型两部分。

1.1 激励荷载的模拟

国外关于人群活动激励的研究多数集中在人行荷载的模拟上，模拟方法有曲线模拟，如双峰值单足落步曲线、IABSE(International Association for Bridge and Structure Engineering)的连续步曲线、单人跳跃曲线等和Fourier级数模拟，如 M2行走曲线等［1］。图1给出了典型的单足落步曲线。

国内关于人群活动的激励研究相对较少。孙利民等［2］在参考了国外试验结果和一些国家规范的基础上，给出了天桥的周期性人行荷载模式。

在铁路客站候车室楼盖舒适度研究方面，文献［3］采用了实测归一化的连续行走和单人跳跃相对时程曲线;文献［4］则采用了 IABSE提供的连续步荷载模型。

图1 单足落步曲线

总体上看，目前用于大跨度楼盖的人行荷载模型缺乏代表性，研究仍不充分。文献［1］建议人行荷载建模研究可同生物、医学等学科结合起来，以便使人行荷载理论模型更精确。其有效性需要更多、更广泛的实测数据来验证。

1.2 楼盖动力特性

精确的楼盖模型是楼盖动力特性分析的重要前提。20世纪60年代人们采用Burkhardt提出的梁模型，将楼盖简化为单跨梁［5］;20世纪70年代后期，随着研究的深入，人们意识到有适当约束的楼盖整体模型比简单的梁模型要精确［1］。但无论是早期的梁模型还是后来的楼盖整体模型，都对实际结构进行了不同程度的简化，如边界简支、忽略柱对刚度的贡献等，虽然计算方便，却与实际不符。

大跨度楼盖模型参数，如阻尼的识别是楼盖动力特性计算的另一个问题。由于楼盖抗弯能力的正交各向异性，导致楼盖振动模态的密集，是造成楼盖阻尼难以准确确定的主要原因［1］。

国内学者何浩祥等［5］结合人机工程学的成果，提出一种人与结构共同作用的模型，把人体等效为具有多自由度的质量、刚度和阻尼系统模型，并将该模型和原有结构进行耦合形成全新的动力学模型。

要想解决以上问题，得到精确的楼盖模型和准确的楼盖动力特性值，需要用大量的实测数据对已有模型进行修正。

2 列车通过引起的楼盖舒适度研究

列车通过引起楼盖舒适度问题的研究早期集中在地铁引起的地面振动及对建筑物的影响上。文献［6-8］分别用理论分析、数值模拟或现场实测的方法，研究地铁通过引起的地面振动传播规律及邻近建筑物的振动响应规律。

大型站桥合一结构的站房，相当于把列车开进房子里，其高架候车室楼面系统竖向支撑构件多数直接落在轨道梁桥墩上，站内列车通过引起的楼盖振动，以车辆—桥梁—建筑的方式传播，与地铁通过引起的邻近建筑物振动传播方式不同。由于这种站桥合一结构在国内尚属首创，对这类振动引起的楼盖舒适度研究很少。文献［4］和文献［9］对已建成的武汉站和广州南站进行了相关研究，两者都采用了数值模拟的方法，文献［4］将车辆—结构相互作用问题分解为车辆子系统和结构子系统两部分考虑，分别以刚体动力学方法和有限元方法模拟这两个子系统，计算了国产先锋号列车以200 km/h通过正线时的站房结构加速度响应;文献［9］通过车辆—等效桥梁耦合系统以及桥梁—站房系统的分步求解，研究了列车高速通过站房所引起的结构动力响应。

大型站桥合一结构的站房由列车通过引起的楼盖舒适度问题研究才刚刚起步。鉴于其振动传播方式，建立包括车辆、桥梁、轨道、站房结构在内的整体模型来分析列车通过引起的楼盖舒适度问题，似乎符合工程实际，但由于车、轨、桥、房之间相互作用的复杂性及计算分析的不确定性，目前还没有通过建立整体模型进行舒适度分析的文献;已有的建立分步模型的方法在计算时引入了一些假定，建模时对结构进行了简化，同样存在模型与实际不符的问题。在现场实测方面，仅文献［10］中有人群活动如行走、跑、跳及候车引起的楼面竖向加速度实测值，列车通过引起的楼面动力响应实测值几乎是空白。

3 人对振动的反应及楼盖竖向振动舒适度标准

3.1 人对振动的反应

人对楼盖竖向振动的反应直接影响到舒适度标准的控制，它与振动的大小、持续时间、人所处的环境、自身的活动状态及人的感受等因素有关。最早进行人对振动反应研究的是德国的 Reiher和 Meister，他们用“不能感觉”、“微微感觉到”、“容易感觉到”、“强烈感觉到”、“不舒适、长时间振动可能会导致危险”、“很不舒适、短时间内会感到危险”等6个主观判断来描述人对振动的感受［11］;Nawayseh等通过人体主观反应试验，研究了振动的幅值、频率成分及振动方向等因素对站立姿势人舒适度的影响;国内学者宋志刚［11］提出通过预测烦恼率来考虑人对振动的主观反应，将定性问题定量化，这种方法目前已被其他学者应用到舒适度研究中。

人对振动的反应不仅受客观因素影响，更取决于主观因素，具有很强的不确定性，定量分析非常困难。现场调查是了解人们对振动的反应的途径之一，其准确度依赖于大量的、范围广泛的数据。

3.2 楼盖竖向振动舒适度标准

研究人员在人群活动引起的楼盖竖向振动舒适度问题上取得了一些研究成果，颁布了包含相关内容的设计指南或规范。表1为国内外有关舒适度的规范标准，表2和图2为常用的ATC及ISO关于舒适度的具体规定。

由表1、表2及图2可见，①各标准、规范之间关于舒适度的评价参数各不相同，包括加速度、速度、频率、阻尼等。如同样是针对节奏激励引起的竖向振动，AISC限制楼盖的频率而ATC限制其峰值加速度;即便是同一个标准(规范)，针对不同情况，也可能采取不同的评价参数，如SCI对不同楼盖基频，分别限制其峰值加速度和峰值速度。②舒适度评价参数的计算方法不同。各标准、规范都有自己的计算公式和参数取值。③舒适度评价参数、计算方法不同，可能引起控制标准具体数值存在差异。如ISO和ATC，在楼盖频率4～8 Hz时，其对加速度峰值的限值相同，但关于节律运动允许的楼盖振动峰值加速度分别为0.05 g和0.04 g～0.07 g。④我国建筑结构设计规范在结构竖向振动方面无明确的规定，仅在文献［16］和文献［17］中规定了自振频率限值。

关于列车通过引起的楼盖舒适度问题研究比较少，舒适度评价标准也参照常用的 ISO标准或 ATC标准。