郭 暉，安 毅，程 欣，雷宏剛

(太原理工大學(xué) 土木工程學(xué)院，太原 030024)

相對于以上研究使用的數(shù)值模擬方法，現(xiàn)場實測是研究鋼結(jié)構(gòu)站房振動響應(yīng)機理的第一手資料，其結(jié)果更加符合結(jié)構(gòu)響應(yīng)的實際情況。賀玉龍等[5]對列車高速通過渭南北站站房產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)振動進行實測，未針對站房存在更為復(fù)雜的實際工況進行研究。馬斐等[6]分析西安北站樓蓋在環(huán)境激勵、列車進出站、人群檢票等工況下樓蓋實測振動響應(yīng)，發(fā)現(xiàn)上述工況均不會產(chǎn)生人舒適度的問題。

本文基于太原南站鋼結(jié)構(gòu)站房健康監(jiān)測系統(tǒng)，對站房結(jié)構(gòu)在環(huán)境激勵、列車進出站、列車過站、人群檢票進站、現(xiàn)場施工等工況下結(jié)構(gòu)的振動響應(yīng)進行實測，并對不同荷載激勵下結(jié)構(gòu)振動的幅值響應(yīng)和舒適度進行評價。

1 現(xiàn)場實測概況

1.1 太原南站鋼結(jié)構(gòu)站房概況

太原南站站房整體采用鋼結(jié)構(gòu)體系，建筑面積約63 124 m2，用鋼量超過3.48萬t.主站房從下到上依次為出站廳層(負一層)、站臺層(一層)、高架侯車廳層(二層)及商業(yè)夾層(局部三層，位于站房南、北兩側(cè))。屋蓋總水平投影尺寸為372.46 m(垂直軌道方向)×225.912 m(順軌道方向)，從西往東分別劃分為A區(qū)，B區(qū)和C區(qū)，B區(qū)又分為B1和B2區(qū)，屋蓋中間設(shè)有溫度變形縫。A區(qū)和C區(qū)的屋頂標(biāo)高為30.80 m，B區(qū)的屋頂標(biāo)高為35.60 m.站房垂直于軌道方向(東、西向)，剖面見圖1.屋蓋由48個(東西向8個，南北向6個)“傘”單元鋼結(jié)構(gòu)組成。兩榀主桁架與X形變截面鋼柱構(gòu)成主要受力體系見圖2.兩主桁架為平面呈X形對稱的單側(cè)懸挑結(jié)構(gòu)，懸挑長度約為28 m.圖3為站房平面圖。

圖1 東西向剖面圖

圖2 單個“傘”單元屋蓋結(jié)構(gòu)

吳少偉[7]通過Midas有限元分析軟件對太原南站站房進行整體建模，得到了站房前30階自振周期、頻率和X向與Y向振型參與質(zhì)量。保證豎向振型參與質(zhì)量至少達到總參與質(zhì)量的90%，在此模型基礎(chǔ)上得到前90階模態(tài)自振周期、頻率，并通過與不同振型的位移方向?qū)?yīng)參與質(zhì)量對比，篩選出結(jié)構(gòu)發(fā)生明顯豎向振動的模態(tài)自振頻率等參數(shù)列于表1.結(jié)構(gòu)豎向參與質(zhì)量高的模態(tài)主要為前9階、12階、20階和21階，對應(yīng)的頻率分別為2.95～4.01 Hz、4.30Hz、22.37 Hz和40.29 Hz；其中模態(tài)1至9階自振頻率分布密集，而模態(tài)10～19階模態(tài)自振頻率分布較離散。

圖3 站房平面圖

表1 豎向自振頻率、周期及參與質(zhì)量

1.2 儀器與工況介紹

實測基于太原南站鋼結(jié)構(gòu)站房健康監(jiān)測系統(tǒng)中的結(jié)構(gòu)振動監(jiān)測內(nèi)容。圖4表示監(jiān)測系統(tǒng)方案的完整流程。本文實測內(nèi)容屬于結(jié)構(gòu)振動分析模塊，將18個DH5907K采集模塊安裝于A、B1、B2及C區(qū)不同區(qū)域的主桁架懸挑端及柱頂端，將不同位置加速度傳感器所采集的X，Y，Z三向振動信號，通過DH5907K控制器轉(zhuǎn)變成便于遠距離傳輸?shù)臄?shù)字信號后，再通過單模光纖通道傳輸至服務(wù)器中DHDAS信號測試分析軟件進行實時顯示和數(shù)據(jù)保存。其中14個采集模塊布置在柱伸出主桁架的頂端，位于結(jié)構(gòu)的低階振型節(jié)點；4個采集模塊布置在X形柱頂，位于結(jié)構(gòu)的高階振型節(jié)點，具體位置及編號見圖5.采集模塊靈敏度為0.3 V·s2/m，采樣頻率范圍0.25～80 Hz，預(yù)設(shè)為50 Hz.

由于高鐵站房周圍長期存在環(huán)境噪聲、周邊交通等環(huán)境激勵，同時其振動響應(yīng)還會疊加列車進出站、檢票以及施工等高頻次短持時工況，具有振源多、振動響應(yīng)特性復(fù)雜的特點。為考察各種荷載激勵下的不同振動特性，本文按激勵源的不同將工況具體分為：1) 環(huán)境振動；2) 列車進站、出站及過站；3) 人群檢票；4) 施工設(shè)備激勵。

圖4 健康監(jiān)測方案流程圖

2 振動評價指標(biāo)

近年來國內(nèi)外相關(guān)組織機構(gòu)紛紛制定了關(guān)于建筑振動評價標(biāo)準(zhǔn)。一般認為，建筑產(chǎn)生顯著振動會引起人的不舒適、干擾設(shè)備正常工作及造成建筑構(gòu)件損傷累積，各國規(guī)范規(guī)定建筑振動不得超出人體能夠容忍的范圍。其中英國規(guī)范(BS5400)[8]、德國規(guī)范(EN03)[9]、歐洲規(guī)范(EN1990)[10]僅規(guī)定了人行橋設(shè)計的豎向峰值加速度限值；而美國(AISC-Ⅱ)[11]標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了不同使用環(huán)境下的豎向加速度限值。

(3) 試驗初期，排水管壁面積的大小會影響土體梯度比Gr值下降速度。與小直徑排水管壁試樣相比，在大直徑試樣條件下，礫質(zhì)黏性土下降速度變緩的時間比小直徑試樣早3 h，砂質(zhì)黏性土早3 h，粉質(zhì)黏性土早1 h。梯度比下降速度大小為：大直徑排水管壁試樣>小直徑排水管壁試樣。

圖5 加速度傳感器位置及編號

胡皓宇等[12]總結(jié)了國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范包括《人體全身振動暴露的舒適性降低界限和評價準(zhǔn)則》[13]《城市區(qū)域環(huán)境振動標(biāo)準(zhǔn)》[14]《住宅建筑室內(nèi)振動限值及其測量方法標(biāo)準(zhǔn)》[15]等，主要的振動評價量分別為分頻振動評價量和總振動評價量。然而國內(nèi)規(guī)范所采用的方法對采樣環(huán)境、采樣點位置均有特殊要求，且要求連續(xù)采集時間不少于1 000 s，而高鐵站房的工況往往具有高頻次短持時的特點，采樣時間過長不利于理清在各種工況下建筑結(jié)構(gòu)的振動特性。

國際上另一種通用的方法是計算響應(yīng)時程的均方根值(RMS)，與規(guī)范限值進行對比來評價振動舒適度。但此方法僅能得到某一加速度響應(yīng)樣本的唯一RMS值，無法詳細地描述舒適度指標(biāo)隨時間變化的波動情況。據(jù)此，馬斐等[6]提出等效正弦峰值加速度(equivalent sinusoidal peak acceleration，ESPA)的舒適度評價方法，首先將樣本長時程響應(yīng)分割成中心為t0，長度為τ的多個短時程響應(yīng)樣本，對于每段短時程樣本，計算均方根值a(t0)如式(1)所示。

(1)

3 不同工況測試結(jié)果

3.1 環(huán)境振動工況測試

選取3次環(huán)境振動下各測點豎向加速度值為樣本，時長取60 s，取樣本時程最大值及aESP最大值(這里最大值為時程絕對值的最大值，下同)。由于篇幅所限，部分測點測試結(jié)果見表2，圖6為測次1時L1測點和Z1測點加速度時程及功率譜結(jié)果。

表2 環(huán)境激勵測試結(jié)果

從表2可以看出，主桁架頂端加速度最大峰值為2.67 mm/s2，加速度峰值從跨中向兩側(cè)遞減，平均值均不超過3 mm/s2；柱頂加速度最大峰值為0.81 mm/s2，遠小于主桁架懸挑頂端的豎向加速度，由此可見環(huán)境激勵下結(jié)構(gòu)產(chǎn)生豎向振動較小。

觀察圖6可知，環(huán)境激勵下結(jié)構(gòu)ESPA曲線波動較小，整體振動較為平穩(wěn)，主桁架頂端功率譜峰值在2.5 Hz至5 Hz分布密集，卓越頻率為3.682 Hz，與有限元7階豎向自振頻率相近；柱頂功率譜峰值為3.06 Hz，8.114 Hz，10.380 Hz，分別與有限元2，17，18階豎向自振頻率相近，卓越頻率峰值較小，因此可以認為環(huán)境激勵對其他工況下建筑振動的實測結(jié)果影響有限，可忽略不計。

3.2 列車工況測試

本工況下列車進站、出站的樣本分別來自于：G627次列車從進入站房區(qū)域開始到完全停止；G627次列車從開始啟動到完全駛出站房，兩者均耗時1 min.G2622次列車從開始駛?cè)胝痉康酵耆偝稣痉拷Y(jié)束，耗時30 s，定義為過站工況。上述列車運行軌道位置均在C、E軸線間，選取主桁架端加速度傳感器實測樣本，分析數(shù)據(jù)得到各測點豎向加速度時程及功率譜。表3為列車激勵測試結(jié)果，圖7、8分別為跨中L8測點3種工況下加速度響應(yīng)時程圖及功率譜圖。

表3 列車激勵測試結(jié)果

從表3可以發(fā)現(xiàn)，站房在列車3種工況下加速度最大值分別為17.08，12.15，56.45 mm/s2，ESPA最大值分別為9.87，7.80，21.69 mm/s2，加速度響應(yīng)及ESPA曲線最大值均表現(xiàn)出從跨中向兩側(cè)遞減的趨勢。圖7加速度時程圖中列車進站、出站加速度響應(yīng)都經(jīng)歷低-高-低的變化過程，ESPA曲線變化平緩；而列車過站加速度響應(yīng)經(jīng)歷多次低-高-低的變化過程，ESPA曲線起伏程度大。

列車通過站房軌道層速度快，激勵遠大于列車進站和出站，傳遞至主桁架端加速度響應(yīng)明顯大于其他兩種工況；列車進站伴有減速剎車過程，激勵大于列車出站工況，傳遞至主桁架端加速度響應(yīng)大于列車出站工況。ESPA曲線最大值均小于美國規(guī)范中0.015g即147 mm/s2限值，故三種工況均不會引起人體舒適度問題。

由于列車激勵不可測，本文通過查閱文獻尋找計算方法，根據(jù)列車時速和車廂長度，計算出實際列車輪的軸重加載頻率。圖8加速度功率譜中列車荷載激勵下結(jié)構(gòu)豎向加速度響應(yīng)與加載頻率呈倍頻關(guān)系。列車進站、出站最大速度約為140 km/h，車廂長度24.7 m，軸重加載頻率fv1=v1/lv=1.57 Hz；列車過站速度約為300 km/h，軸重加載頻率fv2=v2/lv=3.37 Hz.結(jié)構(gòu)第3階、15階豎向自振頻率分別為3.29，6.11 Hz，與列車進站、出站工況軸重加載頻率的2倍頻2fv1=3.14 Hz、4倍頻4fv1=6.28 Hz接近，對應(yīng)圖中功率譜峰值分別為3.582 Hz，6.598 Hz和3.399 Hz，6.431 Hz；結(jié)構(gòu)第3階豎向自振頻率與列車過站軸重加載頻率的1倍頻fv2=3.37 Hz接近，對應(yīng)圖中功率譜峰值3.131 Hz.列車過站、進站、出站功率譜的卓越頻率均在3.2 Hz左右，峰值大小依次降低。

圖7 L8三種工況加速度響應(yīng)時程

圖8 L8三種工況加速度響應(yīng)功率譜

3.3 人群工況測試

乘客檢票進站時，旅客在檢票口排成3～4列隊伍向檢票口移動，人群密度高，移動速度緩慢。采集A9、B9檢票口(D、E軸線內(nèi))旅客檢票進站時主桁架端L5-L8測點加速度響應(yīng)數(shù)據(jù)，樣本時長取100 s，結(jié)果見表4.圖9為測點L7豎向加速度時程及對應(yīng)功率譜。

由表4結(jié)果可知，站房在3次人群檢票工況測試中加速度最大值為19.78 mm/s2，ESPA曲線最大值為11.50 mm/s2，均小于美國規(guī)范限值。從圖8(a)加速度時程圖可以發(fā)現(xiàn)從檢票排隊開始人群逐漸密集，加速度響應(yīng)逐漸增大；隨著旅客逐漸通過檢票口人群密度降低，加速度響應(yīng)逐漸減小。研究發(fā)現(xiàn)密集人群步行1倍頻約為1.6 Hz[16]，與圖8(b)加速度功率譜峰1.616 Hz接近；人群步行2階倍頻率約為3.2 Hz[16]，與測點位置基頻3.319 Hz接近。卓越頻率峰值0.76 mm2/s3較小。

表4 人群檢票進站激勵測試結(jié)果

圖9 L7人群檢票激勵加速度時程及功率譜

由此可見乘客在檢票進站過程中雖然人群密集步頻同步性高，但由于移動緩慢，行走空間受限，且荷載傳遞存在衰減，因此人群檢票工況下結(jié)構(gòu)振動滿足舒適度要求。

3.4 施工工況測試

站房東廣場在14:00-16:00時段內(nèi)處于施工階段，電機設(shè)備激勵加載至站房結(jié)構(gòu)同樣會引起振動。不同于列車荷載和人群荷載，施工工況荷載主要為10 Hz以上窄帶高頻激勵。4個柱頂端加速度傳感器位于結(jié)構(gòu)高階振型節(jié)點，采集3次不同施工時段內(nèi)的4個柱頂端豎向振動響應(yīng)作為實測樣本，結(jié)果見表5.圖10、11分別為Z1加速度響應(yīng)時程及功率譜圖。

表5 施工工況激勵測試結(jié)果

圖10 Z1施工工況加速度響應(yīng)時程

從表5發(fā)現(xiàn)，豎向振動加速度響應(yīng)的最大值出現(xiàn)在靠近振源Z1測點，隨著距離增加響應(yīng)逐漸減小。3次施工加載下加速度響應(yīng)最大值為17.63 mm/s2，ESPA曲線最大值為16.12 mm/s2，均小于美國規(guī)范限值。從圖10看出加速度響應(yīng)幅值在短時間內(nèi)波動顯著，aESP曲線接近加速度時程包絡(luò)線，能更好地反映幅值變化規(guī)律。圖11表明3次施工加載頻率在10 Hz以上，激勵引起結(jié)構(gòu)豎向振動，其卓越頻率分別為14.86 Hz，14.49 Hz，16.06 Hz.

圖11 Z1施工工況加速度響應(yīng)功率譜

4 結(jié)論

針對太原南站鋼結(jié)構(gòu)站房在多種工況下的加速度響應(yīng)進行分析，得出以下結(jié)論：

1) 在列車過站、進站、出站工況下，鋼結(jié)構(gòu)站房加速響應(yīng)峰值依次減小，在相應(yīng)工況下各測點相應(yīng)從跨中向兩側(cè)遞減；列車荷載激勵下結(jié)構(gòu)豎向加速度響應(yīng)與加載頻率呈倍頻關(guān)系，響應(yīng)的卓越頻率在3 Hz與6 Hz附近。

2) 在人群檢票工況下，鋼結(jié)構(gòu)站房由于旅客進站步速低，行走空間有限，結(jié)構(gòu)加速度響應(yīng)較小；人群步頻的1倍頻與2倍頻易激起結(jié)構(gòu)豎向振動。

3) 在施工荷載激勵下，鋼結(jié)構(gòu)站房響應(yīng)的卓越頻率峰值較高，其響應(yīng)的卓越頻率在14～16 Hz附近。

4) 上述荷載工況下結(jié)構(gòu)加速度響應(yīng)極值及ESPA峰值均小于美國規(guī)范限值，滿足舒適度標(biāo)準(zhǔn)。

5) 美國規(guī)范中僅以加速度響應(yīng)時程極值作為評價指標(biāo)會高估結(jié)構(gòu)振動響應(yīng)對人體舒適度的影響，而ESPA曲線能較好反映加速度幅值的變化趨勢，進而有效地評價人體舒適度水平。