12 人行振动
12.1 公共场所人群密集楼盖
12.1.1 本节适用于公共场所楼盖的人行和有节奏运动产生振动荷载的计算。Bases for design of structures-serviceability of buildings and walkways against vibrations ISO 10137:2007给出人自由行走时的竖向人行振动荷载1阶频率为1.2Hz~2.4Hz,当楼盖水平自振频率大于竖向人行振动荷载频率的1/2时,不考虑水平人行振动荷载。对于行走和有节奏运动激励为主的楼盖,美国AISC/CISC Steel Design Guide Series 11-Floor Vibrations Due To Human Activity(1997)和ATC Design Guide 1-Minimizing Floor Vibration(1999)也只考虑竖向振动荷载的作用。
12.1.2 本条主要参考Bases for design of structures-service-ability of buildings and walkways against vibrations ISO 10137:2007。研究表明,人行振动荷载可以用傅立叶级数或多项式表示。美国AISC/CISC Steel Design Guide Series 11-Floor Vibrations Due To Human Activity(1997)和ATC Design Guide 1-Minimizing Floor Vibration(1999)忽略静荷载的影响,给出了楼板发生竖向共振时的单人自由行走的振动荷载简化函数,我国现行行业标准《高层建筑混凝土结构技术规程》JGJ 3-2010也参照美国ATC Design Guide 1(1999),给出了接近楼盖结构自振频率时楼盖结构竖向振动加速度近似计算公式。
ISO 10137:1992给出了单人激励荷载的计算公式,提出要考虑有节奏运动的人群激励荷载放大作用,但并未给出有节奏运动的人群激励荷载公式。美国AISC/CISC Steel Design Guide Series 11(1997)和ATC Design Guide 1(1999)给出了跳舞、有氧运动、演唱会、体育比赛等有节奏运动的人群激励作用下,楼板发生竖向共振时人群的激励均布荷载简化函数,但并未给出人群自由行走的激励荷载函数。Ellis B.R.针对两个混凝土楼板在最多由32人组成的人群自由行走激励作用下的试验结果表明,随着人群总人数的增大,楼板的竖向振动加速度增大,但楼板的竖向振动加速度增大并非线性的(Ellis B.R.The influence of crowd size on floor vibrations induced by walking.The Structur-al Engineer,2003,81(6),pp.20-27)。研究表明,n个人随机行走人群引起的竖向振动响应是单个人的倍,ISO 10137:2007规定竖向人群振动荷载应乘以协调系数进行折减,即:
式中:F(t)——人群自由行走的竖向人行振动荷载(N);
n——人群的总人数;
C(n)——人群运动的协调系数。
对于无节奏自由行走人群,协调系数可取:
相应地可以计算得到竖向人群激励荷载公式。
ISO 10137:2007未给出人的重量取值,我国现行国家标准《地铁车辆通用技术条件》GB/T 7928-2003规定人均体重按60kg计,《铁道车辆强度设计及试验鉴定规范》TB/T 1335-1996规定每一旅客及其自带行李的重量之和取为80kg,本条结合实际情况,行人体重按60kg计,即600N。
ISO 10137:2007指出人群的总人数取决于单位面积的人数和人群所占据的面积,但ISO 10137:2007并未给出自由行走的单位面积人数取值,对于协调跳跃(如在无固定座位区域的跳舞、节律运动),ISO 10137:2007规定一般情况下为0.8人/m2,最大值为6人/m2。应用中可根据实际情况确定人群的总人数。
人行振动荷载频率的取值有两种方法:(1)试算法,在1.25Hz~2.3Hz范围内按0.1Hz或更小的频率间隔计算楼盖振动加速度响应,取振动加速度响应最大值对应的人行振动荷载频率;(2)取人行振动荷载频率f=f1/n(n为整数),f1为楼盖一阶竖向自振频率。一般地,当楼盖的一阶竖向自振频率是荷载频率的整数倍时,楼盖发生共振,楼盖振动加速度响应最大。
ISO 10137:2007给出了相位角的一个保守取值方法,即取低于共振的谐振相位π/2。
12.1.3 ISO 10137:2007规定对于无固定座位的协调跳跃,第1、2、3阶振动荷载频率的动力因子可近似取1.7、1.0、0.4。
ISO 10137:2007指出人群运动的协调效应取决于运动的复杂程度,越复杂的运动,协调性越低。ISO 10137:2007举例给出了三种典型的协调运动场景:
健身房:人群中所有人都训练有素,能够熟练地开展协调性运动——高协调性;
观看体育赛事的人群:人群中仅有一些人训练有素,但大部分人能够熟练地开展协调性运动——中协调性;
观看流行音乐会的人群:人群中仅有一些人训练有素,且大部分人不能熟练地开展协调性运动——低协调性。