20161027-振动舒适度问题工程设计-r

大跨结构振动舒适度问题与案例分析陈隽土木工程防灾国家重点实验室同济大学土木工程学院建筑工程系报告提纲一． 大跨工程结构的振动舒适度问题二． 振动舒适度问题设计：荷载取值三． 振动舒适度问题设计：分析方法四． 振动控制方法五． 思考题目• 《混凝土结构设计规范》（GB  50010-­‐2010)第3.4.6条“对混凝⼟土楼盖结构应根据使⽤用功能的要求进⾏行竖向⾃自振频率验算，并宜符合下列要求….”  •     •   《高层建筑混凝土结构技术规程》（JGJ3  –  2010）  •   《高层建筑混凝土结构技术规程》（JGJ3  –  2010）第3.7.7条“楼盖结构应具有适宜的舒适度。楼盖结构的竖向振动频率不宜⼩小于3HZ，竖向振动加速度峰值不应超过表3.7.7的限值”0.005g0.015g0.015g0.05g! 桥梁：美国旧金山金门大桥、武汉长江大桥、杭州解白人行桥、伦敦千禧桥……英国自然杂志《Nature》撰文讨论此振动现象一、大跨工程结构的振动舒适度问题! 高层建筑：2011年7月韩国首尔TechnoMart购物大楼（39层）由于12层健身房内人群的活动造成大楼振动，长达10分钟之久，引起其他楼层住户的恐慌和撤离。一、大跨工程结构的振动舒适度问题! 步行荷载：人行走过程中对支撑结构所产生的作用，是一种动力荷载。（人致激励：走、跑、跳、节奏性运动）! 由步行荷载引起的结构振动可对工程结构的安全性或适用性造成严重威胁  大跨度楼盖人行桥火车站空中连廊高科技厂房大跨度楼梯精密仪器医院体育场看台悬挂结构二、大跨工程结构的振动舒适度设计：荷载取值行走荷载的发展简史• Harper(1961)，单人行走荷载曲线，测力板• Lenzen-Murray(1969)，人行荷载振动等级以及脚跟冲击力作用下的荷载时程曲线（force-timerelationshipforheelimpact），脚跟落步试验（theheel-droptest）• Galbraith&Barton（1970），行走落步荷载曲线的双峰值特性• Clough&Penzien（1975），单人和人群引起的荷载时程曲线• Blanchard（1977），第一振型下的人行荷载正弦曲线，人行天桥• Erikkson&Ohlsson(1982，1988，1994，1996)，人行荷载的自谱密度（ASD）频域人行荷载函数• Rainer（1986），人行荷载-时间曲线，人在17m跨度的楼板上行走的实验• Ohlsson（1986），落步时程曲线（footstepforcetimehistory）• Smith&Chui（1988），脚跟冲击力函数模型（aheel-dropimpactforcingfunction）• Eriksson（1994），原地动力荷载模型，• Ebrahimpour&Fitts（1995），单人原地踏步模型，测力板• Kerr（1998），收集了1000个单人单步竖向地面作用反力资料，测力板• Ellis（2000，2003），人群荷载的动力回应系数（DLF）• Brownjohn（2004），多人行走下的频域模型，桥梁• Willford&Young（2005），高频结构的人行荷载模型• Zivanovic（2006），单人行走激励下结构竖向振动响应的概率密度函数。• Racic(2010),单人行走激励测试，跑步机! 工程设计中目前选用国外步行荷载模型。“目前针对中国人步行特点的步行荷载曲线的测试和统计工作几乎没有”(李爱群等,《建筑结构学报》,2010)! “人群荷载模式的建立。这部分工作难度大，目前国际上的研究资料也很少。…到目前为止，多人荷载的数学模型还很少”（陈政清、华旭刚等，《人行桥的振动与动力设计》，2009.）! “amathematicaldescriptionofloadsinducedbyindividualsandcrowdshasproventobedifficultduetotheirsheercomplexityandconsiderablesimplificationsmustbemade”（Jonesetal.J.ofSoundandVibration,2011)110200.111020频率(Hz)加速度均方根值(cm/s2)曲线1：基线曲线2-4：宿舍(白天)曲线3：宿舍(晚上)曲线4：办公室曲线5：车间54321模型1模型2模型3模型4模型5模型6模型7模型8模型9模型10! 现有的不同步行荷载模型所计算响应差别大同济大学基于3D动作捕捉技术的步行荷载实验三维测力台1000Hz长2m，足底压力板100Hz红外摄像头三维测力台反光标记物! 已完成130多人的步行、跳跃、跑动实验；! 7种步行工况：3种自由行走，1.5、1.75、2.0、2.25Hz固定步频；! 每组数据报括：（总共15456条单足落步时程曲线）（1）两个测力板记录的落布曲线；（2）足底压力板记录的压力曲线；（3）39个Marker点的空间坐标记录二、人致激励的荷载模型! 步⾏行荷载  （1）单足落步曲线荷载模型  （2）连续步行荷载模型 ! 跳跃荷载  （1）单次跳跃荷载模型    （2）单次跳跃荷载随机模型    （3）人群跳跃荷载模型00.20.40.60.811.21.4-100-50050100Force(N)（x方向）Time(sec)实测时程（工况=—Slow“）00.20.40.60.811.21.4-200-1000100200Force(N)（y方向）Time(sec)00.20.40.60.811.21.402004006008001000Force(N)（z方向）Time(sec)! 试验结果00.20.40.60.81-100-50050100Force(N)（x方向）Time(sec)实测时程（工况=—Fast“）00.20.40.60.81-400-2000200Force(N)（y方向）Time(sec)00.20.40.60.81050010001500Force(N)（z方向）Time(sec)00.20.40.60.811.21.4-50050100Force(N)（x方向）Time(sec)实测时程（工况=—Normal“）00.20.40.60.811.21.4-200-1000100200Force(N)（y方向）Time(sec)00.20.40.60.811.21.402004006008001000Force(N)（z方向）Time(sec)慢速行走中速行走快速行走步行荷载模型－单足落步荷载模型! 单足落步曲线模型：傅立叶级数模型()102sinnnniiftGtaTαϕπ=⎛⎞⎛⎞=•++⎜⎟⎜⎟⎝⎠⎝⎠∑00.20.40.60.8-0.1-0.0500.050.1Time(s)Force/WeightSingleFootfallTraceinxdirection00.20.40.60.800.20.40.60.811.21.4Time(s)Force/WeightSingleFootfallTraceinzdirection! 模型系数取值水平横向模型系数（x方向）竖向模型系数（z方向）! 单足落步曲线模型建议系数取值! 相位角取值阶数X方向Y方向Z方向120.02130.0130.14740.0625//0.01290.0057pf−0.03240.0712pf+0.15980.4828pf−+0.02140.0186pf+0.17710.0100pf−0.00830.0076pf−0.00990.0110pf−0.01030.0047pf−0.00550.0023pf−:pf行走步频阶数X方向Y方向Z方向12345//10π−25π20π−2π−3π3π−2π−3π−20π−3π−5π−2π2π−跳跃荷载模型! 单次跳跃荷载曲线 00.511.5020040060080010001200140016001800Time（sec）JumpingGRF（N）FmaxTPtPABG• ‘Slow  Jumping’(2.0Hz)        double  peak  • ‘Fast  Jumping’(≥2.0Hz)        single  peak00.20.40.60.80245Time(sec)KP(F(t)/G)00.20.40.60.80245Time(sec)KP(F(t)/G)00.10.20.30.40245Time(sec)KP(F(t)/G)00.10.20.30.40245Time(sec)KP(F(t)/G)1.5Hz2.0Hz2.67Hz3.5Hz! 典型单次跳跃荷载曲线 From:  Curve• Peak  dynamic  load  • Contact  dura;on  • Jumping  period  maxFPtPTTo:  Model• Impact  factor  • Jumping  frequency  • Contact  ra;o  max/PKFG=/PPPPtTtfα==⋅1/PPfT=()Psin/0()0tPPPPKGttttFttTπ≤≤⎧=⎨≤≤⎩• Half-­‐sine  model    00.511.5020040060080010001200140016001800Time（sec）JumpingGRF（N）FmaxTPtPABG! 荷载模型参数的定义 00.20.40.600.511.522.53Time[s]ImpactfactorKP1.5Hz00.10.20.301234Time[s]ImpactfactorKP2.0Hz00.10.20.301234Time[s]ImpactfactorKP2.67Hz00.050.10.150.201234Time[s]ImpactfactorKP3.5Hz! 修正的半正弦平⽅方单次跳跃荷载模型 ()()2sin/0tt,2.0()sin/0tt,2.00ttPPPPPPPPPPKGttfHzFtKGttfHzTππ⎧≤≤⎪=≤≤≥⎨⎪≤≤⎩跳跃荷载模型:多人跳跃! 多人跳跃时协同性因子；,,,=-dibitittt,,didibtTδ=! 协同性因子的分布规律；12+=1pp-1-111(,,)=(1-)(,)fxxxBγηγηγη1-1-10(,)1-;0,0,01Bxxdxxγηγηγη=≤≤∫（）112()=()+fxpfxp跳跃荷载模型:多人跳跃! 多人跳跃的随机荷载模型；单人荷载实验单人荷载模型协同性分析人群荷载模型确定人群的人数N，单次跳跃的次数M协同性因子的概率分布人群跳跃荷载具体步骤()()2sin/0tt()sin/0tt0ttPPPPPPPPKGttFtKGttTππ≤≤⎧⎪=≤≤⎨⎪≤≤⎩pKaα=1ppTf=ippitTα=按照随机生M个2(,)Nµσiα确定跳跃频率，根频率确定接触率的均值跟标准差荷载时程起点,dit三、大跨工程结构的振动舒适度设计：分析方法! 自振频率限制方法；! 振动幅度限制方法；（1）简化计算方法；（2）时域计算方法；（3）反应谱方法主要设计分析方法英国规范BS5400(1978)美国钢结构协会AISC标准(1997)美国混凝土结构设计指南（ACI-2007)英国混凝土协会CSTR43标准(2005)英国混凝土协会CCIP-016标准(2006)我国《高层建筑混凝土结构技术规程》(2010)No.规范名称限值类型国家/组织1ConcreteSocietyTechnicalReport43(CSTR43)加速度响应系数英国2ADesignGuideforFootballInducedVibrationofStructures(CCIP-016)加速度响应系数英国3AISCSteelDesignGuideSeries11:FloorVibrationDuetoHumanActi