阜阳西站高架站房候车层大跨度楼盖舒适度分析

闫发林

摘 要：阜阳西站高架站房候车层楼盖跨度较大，动力特性复杂，在人行荷载激励下容易产生较大的振动。通过对站房整体有限元模型的特征值分析，得出楼板体系的竖向自振频率。通过模拟人群荷载的不同工况，对候车厅楼板系统进行舒适度分析，对比不同板厚对舒适度的影响，按不同荷载工况及实际人群数量的分布分析楼盖系统的竖向振动加速度。计算结果与规范[1]对舒适度限值的对比表明，候车层大跨度楼板满足舒适度要求。

关键词：人行荷载；自振频率；峰值加速度；舒适度；激励

Analysis on comfort degree of large span floor of waiting floor in elevated station house of Fuyang West Station

Yan Falin

（Shanghai United Design Group，Shanghai  200093，China）

Abstract: Due to large span and complex dynamic characteristics of concrete floor system of large public structures, great oscillation is highly possible to be created by pedestrian load. During design processes, the premier target of engineers is to reduce the vibration to a comfort level in order to achieve the requirements of design codes. In this report, the design of floor system of Fuyang West Railway Station is used as an example. At first, vertical natural frequency of floor system of the station was obtained, through eigenvalue analysis of its finite element model. At second, the impact of variant thicknesses of floor to comfort levels were compared by simulating different cases of pedestrian loads. Moreover, accelerations of vertical vibrations under different loading cases and distribution of passengers were analyzed. Finally, comparison between calculated results and limitations of design codes reflected that the floor system meets the requirements of comfort.

Keywords: Pedestrian load;Natural Frequency;Peak Acceleration;Comfort Level;Excitation.

 

1工程概况

阜阳西站高架站房地上2层，地下1

 

作者：闫发林（1983—），男，硕士研究生，工程师，主要从事结构设计工作。

E-mail: [e-mail]

层，局部夹层。地下一层为出站通道及连接站前广场与机场的城市通廊，层高为10m。地上一层为站台及承轨层，层高10m，地上二层为候车大厅，净高19.5m。高架站房候车层顺轨向框架梁跨度为18m、24m，垂直于轨道方向框架梁跨度为12m、21.5m。候车层结构平面如图1所示。候车层人员密集，柱距大，梁高跨比小，人行荷载激励下可能出现明显的振动现象，楼盖布置、边界条件及实际受力情况比较复杂，为使楼盖体系在正常使用情况下具有适宜的舒适度，采用时程分析方法对楼板进行竖向振动的舒适度分析。

 

 

 

 

图1候车层结构平面图

Fig.1  Plan of waiting floor structure

2人群荷载模拟及舒适度评价标准

2.1人群荷载模拟

随着经济的发展和技术的进步，建筑结构的形式变得越来越复杂，梁板的跨度也越来越大，刚度的减小将导致建筑在人的日常活动作用下可能产生较为明显的振动，影响人的舒适性感受，目前对舒适度的研究

[2,3,4,5,6]较多，同时我国规范《建筑楼盖结构振动舒适度技术标准》(JGJ/T 441—2019)也给出了舒适度计算方法，根据规范规定，在进行舒适度分析时，公共交通等候大厅有效均布活荷载取值0.2kN/m2，混凝土楼盖阻尼比取值0.05，时程分析时采用的荷载函数时长不小于15s，同时结合对以往对大型火车站大跨楼盖舒适度研究分析[7]，荷载工况取值如表1。

表1中荷载工况1慢步行走，适用于候车层检票通道位置，用于模拟旅客检票时的行走模式，检票通道有5个闸机检票口，采用人群行走轨迹模拟人群荷载；荷载工况1~荷载工况4，适用于候车层中央通道，用于模拟旅客以不同的行走方式和奔跑方式通过通道；采用人群行走轨迹模拟人群荷载；荷载工况5，适用于候车层座椅位置，模拟人群同时起立荷载；

表1舒适度分析的荷载工况

Table 1Load cases for comfort analysis

工况	模拟工况	速度v （m/s）	步距s （m）	频率f/（HZ）
1	慢步行走	1.10	0.60	1.7
2	正常行走	1.50	0.75	2.0
3	快速行走	2.20	1.00	2.3
4	跑步	3.30	1.30	3.2
5	集体起立	---	---	加速度峰值2.512(m/s2)

2.2舒适度评价标准

舒适度评价标准采用《建筑楼盖结构振动舒适度技术标准》，规范对楼板竖向自振频率进行了限值，要求楼盖结构的第一阶竖向振动频率不宜小于3Hz，对竖向振动加速度限值有明确规定，如表2所示。

表2楼盖竖向振动加速度限值

楼盖使用类别	峰值加速度限值[ap]/（m/s2）
公共交通等候大厅	0.150

Table 2  Vertical vibration acceleration limit for floors

3  站房整体模型的特征值分析

站房采用Midas gen程序建立整体有限元模型，进行特征值分析。梁、柱构件均采用梁单元模拟，板构件采用板单元模拟，柱底节点边界条件取为固接。通过研究整体结构的动力特性，计算得到候车层结构竖向变形的模态结果，如图2所示，对应的候车层楼板的第一阶竖向自振频率为4.4218Hz，满足大于3Hz要求。从图2可知大跨度楼板中央位置结构变形幅度较大，楼盖刚度较小，结构较柔，在竖向荷载作用下更容易产生振动。在加速度时程分析过程中做重点分析。

 

（a）整体模型特征值分析

 

 

 

（b）候车层竖向振动模态

图2  站房候车层竖向振动模态

Fig.2  Vertical vibration mode of station building waiting floor

经过特征值分析，得出候车层舒适度分析的不利振动点（竖向位移相对最大点）位于节点A位置。后续分析中以不利振动点的加速度响应作为评价依据。

4不同结构选型下结构动力响应分析

为使楼盖系统在正常使用情况具有适宜的舒适度，对楼盖进行竖向振动的计算分析。考虑旅客按荷载工况3在候车层中央通道快速行走的激励为基准，根据站房设计及实际使用情况布置激励荷载。按相同激励，相同步频分析不同楼板厚度的加速度响应。选取120mm、130mm、140mm、150mm、160mm五种板厚来分析楼板厚度的变化对加速度的影响。

经过时程分析，分别得到不利振动点在各板厚下响应的加速度时程曲线，如图3所示，根据加速度时程曲线，提取各板厚下的峰值加速度，如表3所示。峰值加速度随板厚变化的规律如图4所示。

 

 

(a)120mm板厚时加速度时程曲线

 

 

 

(b)130mm板厚时加速度时程曲线

 

 

 

(c)140mm板厚时加速度时程曲线

 

 

(d)150mm板厚时加速度时程曲线

(d)150mm板厚时加速度时程曲线

 

 

 

 

(e)160mm板厚时加速度时程曲线

图3  不同板厚下不利振动点的加速度时程曲线

Fig.3  Acceleration time history curves of unfavorable vibration points under different plate thicknesses

表3 不同板厚下不利振动点的峰值加速度

Table 3  Peak acceleration of unfavorable vibration points under different plate thicknesses

板厚h/（mm）	峰值加速度ap/（m/s2）
120	0.1509
130	0.1476
140	0.1411
150	0.1382
160	0.1350

 

图4  加速度随板厚变化曲线

Fig.4  Acceleration variation curve with plate thickness

根据时程分析结果可知，随着板厚的增加，结构的整体刚度在逐步增加，不利振动点的峰值加速度逐步降低，板厚从120mm加厚到160mm，峰值加速度下降了10.5%，综合考虑结构承载能力极限状态和正常使用极限状态，结构板厚取值150mm。

5

相同激励，不同步频下加速度响应分析

通过对相同激励，不同步频下加速度响应分析，找出峰值加速度达到极大值的步频范围，对此范围的步频设计时重点分析。考虑旅客按荷载工况3在候车层中央通道快速行走为基准，根据站房设计及实际使用情况布置激励荷载，按相同激励，不同步频分析加速度响应。在工况3（快速行走）与工况4（跑步）之间插入步频2.5HZ、2.7HZ、3.0HZ以便模拟行走、慢跑、快跑之间的过渡分析。

  通过时程分析，分别得到不利振动点在各步频下响应的加速度时程曲线，如图5所示，根据加速度时程曲线，提取各步频下的峰值加速度，如表4所示。峰值加速度随步频变化的规律如图6所示。

 

 

(a)1.7HZ时加速度时程曲线

 

 

(b)2.0HZ时加速度时程曲线

 

 

(c)2.3HZ时加速度时程曲线

 

 

(d)2.5HZ时加速度时程曲线

 

 

 

(e)2.7HZ时加速度时程曲线

 

 

(f)3.0HZ时加速度时程曲线

 

 

(g)3.2HZ时加速度时程曲线

图5  不同步频下不利振动点的加速度时程曲线

Fig.5  Acceleration time history curves of unfavorable vibration points at different step frequencies

表4不同步频下不利振动点的峰值加速度

Table 4  Peak acceleration of unfavorable vibration points at different step frequencies

步频f/（Hz）	峰值加速度ap/（m/s2）
1.7	0.06976
2.0	0.06719
2.3	0.1382
2.5	0.09774
2.7	0.1142
3.0	0.1197
3.2	0.1343

由时程分析结果的分析可知，舒适度分析的不利振动点在步频为2.3Hz时，响应峰值加速度达到极大值，这是因为此时的步行荷载频率接近该楼板自振频率的1/2，发生轻微共振所致，设计时对步频为2.3Hz的人群荷载做重点分析。

 

图6  加速度随步频变化曲线

Fig.6  Acceleration variation curve with step frequency

6不同步频下多点激励加速度响应分析

根据站房投入运营后的实际使用工况，结合前述分析，板厚取值150mm，对工况1~工况5按实际情况分别采用最不利的多点激励模拟人群数量，分析候车层楼板在实际人群荷载下的加速度响应。

通过时程分析，分别得到不利振动点在各荷载工况下响应的加速度时程曲线，如图7所示，根据加速度时程曲线，提取各工况下的峰值加速度，如表5所示。

 

 

 

(a)工况1多点激励下加速度时程曲线

 

 

 

(b)工况2多点激励下加速度时程曲线

 

 

(c)工况3多点激励下加速度时程曲线

 

 

(d)工况4多点激励下加速度时程曲线

图7  不同步频下多点激励不利控制点的加速度时程曲线

Fig.7  Acceleration time history curves of unfavorable control points under multi-point excitation at different step frequencies

表5不同步频下多点激励不利控制点的峰值加速度

Table 5  Peak acceleration of unfavorable control points under multi-point excitation at different step frequencies

工况	模拟工况	频率f/（HZ）	峰值加速度ap/（m/s2）	峰值加速度限值[ap]（m/s2）
1	慢步行走	1.7	0.1071	0.15
2	正常行走	2.0	0.1033	0.15
3	快速行走	2.3	0.1382	0.15
4	跑步	3.2	0.1213	0.15

通过时程分析结果可知，高架站房候车厅楼板体系的振动峰值加速度满足规范限值的要求。

7结论

1）通过对自振频率和峰值加速度的分析，阜阳西站高架站房候车层大跨度楼盖舒适度满足规范要求。

2）通过对不同板厚的结构进行舒适度分析，可知随着板厚的增加，结构的整体刚度在逐步增加，不利振动点的峰值加速度逐步降低。舒适度不满足要求时，可通过改变结构刚度来达到设计预期。

3）通过对相同激励，不同步频的分析得出峰值加速度的变化规律，对于易出现极大值加速度的步频应重点分析。

4）根据实际情况采用多点激励分析不同步频下的峰值加速度，结果达到了设计预期。

参考文献

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[3] 赵轩、郑粤、罗峥、路鹏、张风亮等. 商场中庭悬挑环廊舒适度影响因素分析[J].结构工程师2016,32(6): 58-64.

[4] 周德良、李爱群、周朝阳、王世明、郭向荣、张志强等. 长沙南站大跨度候车厅楼盖竖向舒适度分析与检测[J].建筑结构 2011, 41(7): 24-30.

[5] 陈兴、张志强、李霆、李爱群、江红等. 西安北站高架层楼盖舒适度分析与减振设计[J].建筑结构2011, 41(7): 40-44.

[6] 娄宇、黄健、吕佐超等. 楼板体系振动舒适度设计[S]. 北京: 科学出版社, 2012.

[7] 操礼琳、李爱群、陈鑫、张志强等. 人群荷载下大型火车站房大跨楼盖振动舒适度控制研究[J].土木工程学报2010.43(增刊): 334-340.