木工程大跨度楼板的舒适度性能方法研究本科本科毕业论文.doc

宁波大学
毕业论文(设计)

题目：大跨度楼板的舒适度性能方法研究

学 院： （宁波大学）成人教育学院
姓 名： 王益
班 级：
专 业： 学 号：

摘要：随着科学技术革命带来的巨大进步，人们在生活水平方面获得了极大地提高。随着社会经济和人民生活水平的不断提高，人们的物质文化不断地得到了丰富，使得人们愈发地追求精神文化。对于现在的人们，在评价一个建筑物是 否符合标准，不仅仅考虑到这个建筑物结构的安全性，而且更多的考虑到了建筑物结构的舒适性要求。该文章通过 查阅、收集国内外关于行人交通设施振动问题的资料，对这些行人交通设施振动特性的一般规律和人的感受特征进 行文献研究之后，分析了目前在舒适度和振动控制方面的发展情况，对振动舒适度进行了分析与研究，提 出了相关建议。
关键词：大跨度楼板，舒适度 性能方法

目 录
引 言 1

一、问题的提出 2

二、解决舒适度问题的方法 4
（一）舒适度标准的建立 4
（二）人行走和跳跃的基本行为的研究 5
（三）大跨度楼板舒适度的计算方法和影响因素 5

三、解决舒适度问题的过程 6
（一）项目研究的需求 6
（二）项目研究的可行性 7

四、结 论 10
五、参考文献 11

11

引言
随着科学技术革命带来的巨大进步，人们在生活水平方面获得了极大地提高。随着社会经济和人民生 活水平的不断提高，人们的物质文化不断地得到了丰富，使得人们愈发地追求精神文化。对于现在的人们， 在评价一个建筑物是否符合标准，不仅仅考虑到这个建筑物结构的安全性，而且更多的考虑到了建筑物结 构的舒适性要求。
自第二次世界大战以后，基于功能的设计理念逐步为欧美等发达国家的设计人员、研究人员所接受。 在这样的一个设计理念的影响之下，一些国家、以及由国际组织发布的建筑设计规范体系正在经历着一次重大的变革。美国、澳大利亚、以色列、英国、荷兰等国家以及国际标准化组织ISO都先后发布了新的基于功能设计理念的设计标准，而有关此问题的一些研究也早已经成为国际研究的热点问题。
基于功能的设计理念就是要求在建筑物的设计、施工和维护各个阶段考虑到用户的需要，诸如：安全 性、适用性(舒适性)、耐久性等方面，并且具有令人满意的功能特色和较低的制造成本。而关于建筑物在 各种环境(温度、噪声、振动、色彩和光线等)作用下的舒适性是否符合人们的标准，便是衡量一个建筑 物是否做到人性化设计的重要指标。欧洲建筑设计标准ENVl991．1专门指出，“正常使用极限状态应考虑到人的舒适度”。正常使用极限状态需要对导致人不舒适的振动加以考虑，振动舒适度应该满足IS0263 l的要 求。”而在世界上，一些发达国家，也相继提出了一个新的设计理念。1992年lO月1日，荷兰已将建筑基准从“技术规定型”转变为“性能规定型”。提出了一个新的建筑设计理念，突出强调了注重建筑物在性能 方面的投入，要按照社会对建筑物的要求来设计。而在1991年版的IS010137中，对建筑物在振动环境下的 适用性作了一定的规定。而亚洲混凝土模式规范ACMC2001则作了更为具体的规定：“应考虑使用者舒适的性能”，“令人舒适的通道的性能指标为行人步行者的加速感受，抗振的性能指标为结构周围的振动水 平和结构构件的自然状态”，“所有的性能指标要用可靠度来衡量。”最近，随着节能减排地重视，国家 建筑标准中提出了，建筑节能要为舒适度服务。

一、   问题的提出
在我国，建筑结构振动舒适度问题长期以来是一个被忽视的问题。然而，随着国家社会和经济水平的 发展，我们必须注意到以下三个事实：
(1)人民生活水平的不断提高，人对生产、生活环境质量的要求越来越高，使得由于建筑结构给人们带来的舒适度感觉是否符合人们所能接受的底限这一问题，日益受到社会上各界人士的关注。 
(2)随着社会地发展，绿色建筑成为建筑设计发展趋势的主流，使得人们对建筑设计性能的关注度大大提高了。可以预见，人性化，舒适度的建筑物将在绿色建筑理念的提倡之下，成为今后 人们的首选标准。
(3)随着近年来，由于新的结构材料、结构体系、施工方法和新的结构分析方法的采用，将使得现代 楼面结构更轻、更柔、跨度更大。而这些结构在外界作用，如风、机械振动和人的活动下很容易产生较为显著的动力响应。这些动力响应将给人们的工作、休息、身体健康带来巨大的影响。从而使得结构工程师不仅仅考虑对结构的设计不能局限于以往的极限承载力设计，对结构的正常使用极限状态也极为关 心，对结构与环境之间的相互作用更加关注。
按照当今的标准来看，在结构设计和可靠性分析中，结构的极限状态可分为两类，即承载能力极限状 态和正常使用极限状态。目前，对于承载能力极限状态可靠度的研究已经相当深入，很多研究成果已经达 到了实用程度，一些国家的结构设计规范已经依据可靠性理论进行了修订。但是对于结构在正常使用极限 状态分析之中，结构的允许限值具有强烈的模糊性，缺乏一个统一的标准。每一个国家在关于结构建筑设 计方面都运用着不一样的标准，缺乏一个统一性。说明了当今社会，在关于结构设计方面还存在着许多不 足。而对于结构振动给人们带来的舒适度问题，在结构设计中考虑得还较少，对于这方面的研究领域，也 还存在着许多不足，需要我们改进与补充。
现代楼面结构由于底部大空间的需要，使得楼面结构的跨度越来越大，楼面的竖向自振频率越来越低。 而在舒适度中，最重要的参数就是结构的自振频率，对于楼板结构来说，人们所关心的自振频率，指 的便是结构的竖向自振频率。因为人的活动行走或者跳跃都是垂直于楼面，对于竖向的周期载荷对结构竖 向的自振是最为敏感的。楼板的竖向自振频率地降低，使得楼面系统更易于振动，在一定的情况下，这些振动将导致一些人在行走时产生不舒剧61。这些振动，将导致建筑物难以投入使用，极端情况下，极有可能导致建筑物的拆除或者改造。比如，一个新的公寓因为不舒适的振动被迫关闭。
居住者引起的令人烦恼的振动是设计者首要考虑楼面舒适度的问题之一。因为，根据科学分析，楼面 振动是一种不同于结构强度的现象，他跟人对振动的生理很心里反应有关。在历史上，有着许多关于振动 舒适度的实验，诸如1931年，Reiher和Meister的试验研究pJ。根据前人的经验，振动不但是可以感觉的，而 且可以令人不舒服，产生恐惧，或者疼痛。而要找到一个简单有效的方法来评价振动特性是一个比较困难 的事情。因为振动的特性与振源性质、居住者状态等有关。虽然振动不会影响结构和居住者的安全，但是 会引起人的不舒适感，这个将影响建筑的利用。正如古史中“杯弓蛇影”的故事，可见一个简单的事情， 对于人的心理所造成的影响。所以结构设计者应该考虑通过限制楼面的振动在一定的幅度范围内，尽量减 少人的烦恼。而对于一个已经建成的结构进行舒适度改善，是一件比较困难的事情，而且费用也比较昂贵。 这就要求我们，在设计建筑结构的过程中，要充分考虑到振动舒适度给人们带来的影响。
人类对于楼面振动的感觉是一种比较复杂的现象，这个与振动的种类、周围的环境和人的敏感度有关。 人们对于振动的敏感度与振动的频率有关。连续的振动比瞬时的振动更加令人烦恼。振动频率越接近人体 固有频率，更容易使人们产生不舒适的感觉。此外，振动还与人所处的状态，年龄等有关系。在一个同等 的振动环境下，一个住于15层的老人与一个住于2层公寓的年轻人对振动的感觉有着很大的区别。对于正在 办公的人和正在运动的人，他们对于振动的感觉也明显的不一样。另外，对于振动的感觉与处于振动下的 暴露时间，离震源的距离也有着密不可分的联系。
人类活动引起的结构振动问题很早就得到国外研究人员的关注，绝大多数的研究集中在人走动引起的 楼板舒适度问题上。尽管目前已经获得了大量的振动人机工程学、机构分析方面的知识，但是由于研 究范围的限制，不同的知识体系之间的隔阂、缺乏有效的分析工具，以及在工程教育环节的疏忽，这些知 识并没有能够充分地结合在一起应用到工程实践中去。加之现在世界上关于舒适度的研究相对甚少。而已 有的研究成果在生活实践中还没有得到广泛的应用。随着工程建设项目的进行，越来越多刚刚建成，便因为振动过量而无法投入使用。  这些问题的存在，说明了由于结构振动给人们的生产、生 活带来的麻烦、影响是普遍存在的，这些问题，  便需要工程把振动人机工程学和结构分析，以及环境科学 等的知识结合在一起来解决。
舒适度问题是现代工程结构中普遍存在的问题，也是工程结构可靠度研究的一个主要内容。通过 本课题，对于影响大跨度楼板的舒适度的因素的进行具体分析，通过舒适度分析和结构设计相结合的 特点，在设计中充分考虑结构振动舒适度，以做到对影响大跨度楼板的舒适度的较为系统的研究。
在我国综合国力不断增强，全面建设小康社会的形势下，本项目旨在研究现代化都市行人交通基础设 施的振动服务性能现状，以及在行人激振和环境激振的做下的振动服务性能测评方法与标准，找出工程的 经济性和振动服务性能之间的平衡点，在已有的条件下尽可能经济的提高城市基本设施的服务水平，保障 人民群众的健康和安全，提高人们的幸福生活指数。
二、解决舒适度问题的方法 
新的结构分析和设计技术的运用、施工技术的进步，新的高强轻质材料的运用，以及结构质量和阻尼 的减少，大空间(无柱)在办公室、商场、体育馆、车站、展览馆等公共场所的运用，导致了现代楼面结 构更轻，更柔，跨度更大，楼面的竖向自振频率越来越低，这使得楼板在人的正常活动下，楼面系统更易 于振动，这些振动导致了人的不舒适。为此，准备将从以下四个方面对影舒适度的因素进行分析。
（一）舒适度标准的建立 首先介绍历史上著名的关于舒适度的实验和舒适度的评价标准，以及各个标准的评价指标，评价方法，并对一些国家的重要的标准和规范做了说明，从而经过综合分析，提出适合大跨度楼板结构的舒适度评价标准。为接下来关于舒适度的设计提供基础。 在这一方面，主要是先研究振动与舒适度的关系，然后仔细分析一些国家关于结构振动舒适度的重要
评价标准，例如Reiher和Meister标准(1931)，Lenzen标准(1966)，Wiss—Parmelee标准(1974)，CSA标准， ISO标准等各种评价舒适度的标准。因为在国内对于振动舒适度的研究较少，起步较晚，还没有形成比较合 适的标准或者规范。所以最后将通过对国外一些重要标准的分析，提出自己研究的参考标准。
 (二)人行走和跳跃的基本行为的研究
在这一方面，主要是对在楼板上的人的荷载激励进行研究，楼板上的与人的舒适度直接相关的主要是 人的行走和跳跃行为，所以将通过研究人的行走和跳跃的基本特性，主要包括人行走的频率，人的步长， 并进行实验测定人的步行和跳跃的基本曲线，并进行数学简化，以便于普通性的设计。
在关于人行走的基本行为研究中，因为对于办公室，车站，天桥等这类结构的振动，行走导致的振动 是引起结构不舒适的主要原因之一。而目前，在这方面，研究人员关注的大多是行走过程中的竖向力，人 的步行曲线与人的落脚轻重、行走力、人的体重、性别、年龄有关。通过对这些方面的研究，得出单步落 足曲线，深入分析人在行走过程中，对地面产生的应力，引起的振动效果变化曲线，从而得出我们所需要的人的行走曲线模型。同样的方法，用来研究人的跳跃的基本行为，得到与实际较为符合的跳跃曲线。
(三)大跨度楼板舒适度的计算方法和影响因素
在这一方面，主要是通过对大跨度楼板振动舒适度的计算方法进行研究，然后对影响振动舒适度的因 素，如不同的简化行走曲线，结构的自振频率、高阶振型的影响、结构的阻尼，对振动加速度的影响进行 详细研究，为今后关于大跨度楼板舒适度的计算方法和控制提供指导。、 
算任何复杂的楼面结构在人行荷载的动力响应。因此借助此计算方法，来获得楼面各点的位移、速度、 加速度的响应，为评判结构振动舒适度提供了一个良好的工具。在计算研究过程中，通过对之前研究出来 的各种曲线图进行对比分析，提出数学模型以简化计算，从而获得所需要的结果。 

三、解决舒适度问题的过程
(一) 项目研究的需求 振动舒适度问题是现代工程结构普遍存在的问题，也是工程结构可靠度研究的一个主要内容，对于大
跨度楼板的舒适度分析国内研究得还比较少。随着国家经济水平的提高，人民的物质文化得到极大的丰富， 使得人们更加追求于精神层次方面的享受。人们更加渴望的是拥有一个高质量的生活。在生理学上指出， 对人暴露在振动环境下，人对环境的振动的反应频率范围在100Hz以下。研究指出，人的由软组织组成的内 脏器官，比如胸腔，腹腔。在纵向振动下，胸腔、腹腔系统对振动比较敏感。对于坐着的人来说，也就是 说人体作为一个动力系统，发生共振的频率范围在3．12Hz。而这个范围就是一般的办公室建筑楼面的自振 频率Il 4’。由此可见，人对于振动是相当敏感的。对于人来说，振动不但是可以感觉的，而且会令人产生不
舒服，产生恐惧，或者疼痛。 除上之外，在历史上，也有着不少关于振动舒适度的研究。关于人体对于环境反应的研究，可以追溯
到1879年以前，德国著名心理学家Wilhelm Wundt首先比较系统地研究了人对于振动的感型”】。然而，把人
对振动的反应特性运用到产品设计。环境评价中去，并使这些研究成为现代新兴学科之二一人体工程学的 一个研究领域，却开始于上世纪初，其标志性的研究成果是1931年Reiher和Meister的试验研究(91。特别是自 二战时期以后，全新的建筑设计理念的提出，更加引起了人们对于生活舒适度的关注。在新的设计理念的 影响之下，世界各国以及国际组织等发布的设计规范体系正在经历着一次重大的变革。
近年来，随着国家各地土木修建工程的开展，频繁出现的各种工程事故等也使得人们开始广泛关注。 在我们的身边不乏这样的例子。如英国伦敦千年桥就是一个很是典型的例子。伦敦千年桥是一座专供行人 使用的步行桥，建于泰晤士河上，采用扁平悬索桥结构形式，于2000年6月10日首次对外开放，当日的人流 量达到了10万人次。此桥在开放当日就出现了严重的摇摆，在减少过桥人数仍无法消除的情况下，不得不 在投入使用的三天后暂时关闭，进行加固处理。加固处理耗资750万美元，时隔20个月才重新对外开放。工 程技术专家分析认为，过桥人数太多，行人“步伐一致”是导致桥身摇晃的主要原因。除此之外，还有我 们身边的事例。北京某处一座室外人行天桥，此桥横跨交通主干道，桥上人流较多。在自行车作用和行人 的行走作用下，此桥产生较大的竖向振动，白天站在桥上，可以感受到强烈的振感，容易使人在过桥的时 候感到心理不安。通过上述的事例，我们可以知道，振动舒适度虽然对于建筑设计的安全性影响不是很大， 但是却在相当程度上影响了建筑的稳定性，也给人们带来了恐慌的心理，对人的精神生活产生了影响。
综上所述，毫无疑问，在接下来的时间里，振动舒适度将成为今后结构建筑行业发展中不可忽视的一 个重要问题。对于结构工程师们，在设计建筑结构的时候，不仅仅要考虑到结构设计不局限于以往的极限 承载力设计，对结构正常使用极限状态也需要及其关心。
(二) 项目实施的可行性 从1931年至今，国际上做过一系列著名的振动舒适度实验，为我们的研究提供了大量的研究资料，也
由此产生了一系列的标准和规范。虽然这些产生的标准规划各不相同，但是在前人的基础上，给我们指明
了一些的方向。而且通过一系列前人的研究，诸如由Reiher和Meistedl-Jf究结果，定义的关于振动舒适度的五 个标准，成了我们的一个重要的研究参考资料。各国不同的标准，虽然具有单一性，但是通过对这些的系 统性分析、借鉴，我们从中可以总结出自己的评价标准，也从中总结出了自己的研究方向。通过对各个时 期和各国的规范或标准可以看出，对于结构的振动舒适度的评价。主要的评价参数有：振幅、速度、加速 度、阻尼、频率，其中加速度又可以分为平方根加速度，VDV加速度、峰值加速度。而在有的标准里面，
采用的是单一的指标来评价，如Reiher和Meister标准采用振幅来评价，M邺标准采用振幅和频率共同来评价。CSA和AISC．1l才有峰值加速度来衡量。但是通过历史的发展来看，舒适度的评价标准越来越趋于用蜂 值加速度来衡量。因为峰值加速度在计算的过程．中已经包含了结构的参与质量，阻尼，频率等因素。通过 对先前各种评价的标准的分析，本次项目研究决定采用参照CSA和AISC．1l标准。
此外，关于对于人的行走的基本行为的研究的相关问题也找到了突破的方法。在当前的结构设计中， 对于动力荷载的考虑，往往是通过乘以一个动力载荷增大系数，然后把动力载荷等效为一个静力荷载。但 是对于单人行走或者连续的人群行走。人行引起的活载荷并不是静态的，这种荷载是瞬时的、周期性的， 在办公室车站等建筑中，这种瞬时荷载可能是由单人行走，也可能是由一组人共同行走引起的。这种荷载 与结构的作用点不断改变，作用点位置跟人的步频有关。为了评价楼面振动的舒适性，就必须对人的行走 引起的荷载的性质进行研究。而关于此方面的研究，可以根据人的行走规律，得到人的行走的单步落足曲 线。关于单步落足曲线，在先前便有了研究成果，根据参考文献，可知Matsumoto(1978)认为人的行走的 步频平均值为1．9Hz，方差为0．2Hztl6】。根据单步落足曲线，假定人左右足产生的单步落足曲线相同，可以 定义出一条完整的行走激振力时程曲线，连续两段单步落足曲线在世间上有一定的重叠，这个结论表明， 人在走动时存在着一个时间段，在该时间段内，左右足是同时着地的，这是与人走动与跑动时程曲线的一 个非常显著的差别。
在关于人行走曲线方面，人可以通过实测的方法来获得步行曲线，但是实测的步行曲线用于普遍化的 设计比较困难，所以就必须将实际的步行曲线数学简化，以适用于广泛的设计。对于步行曲线，主要分为 两种形式，～种通过时间来衡量，一个通过频率来衡量，前一种运用多于后一种，为了使实际的步行曲线 运用于设计当中，历史上出现了各种各样的简化步行曲线。也提出了不少的模型，主要有行走波简化模型。 通过对单步落足曲线，连续行走曲线，以及实测的连续曲线的简化，使得我们在计算相关数据的能力得到 了很大的提高。另外在关于人跳跃基本行为的研究中，虽然国内外对此方面的研究甚少，也鲜见相关文献， 但是对于我们通过实测获得的跳跃曲线，通过一定的数学模型，我们也可以将其计算进行简单化。从而为 普遍性的楼面振动舒适度的评价提供了力学模型的基础。
对于每一个国家都有着自己的设计标准，以前的研究大多数是对已经存在的建筑物进行舒适度评价， 或者对简单的楼面结构进行舒适度计算，大多的计算都是跨度比较小的，平面的基本规则、支承条件也是 比较简单，适宜手算。比如AISC—ll主要适用与两级梁体系、简支的、平面结构规则的、支撑形式比较单 一的楼面系统。但是由于实际中楼面结构相对复杂，楼面由于建筑外形，楼梯开洞等因素经常使楼面平面 不规则，而且对于支撑体系，在实际结构中也是复杂多变的。当前大多的规范和标准都是对四边支承的楼面结构而言，而没有对于悬臂结构的振动加速度的计算方法。所以由于楼面结构的复杂性，大大限制了各 国标准和规范在实际当中的运用。但是随着计算技术和电子技术的发展，使得结构的动力计算得到了广泛 的发展，由此产生了一系列的计算方法，线性的时程分析计算使得可以计算任何复杂的楼面结构在人性荷 载的动力响应。这使得对于复杂的楼面系统，我们也可以通过对时程分析的方法获得楼面各点的位移、 速度、加速度响应，为评判结构振动舒适度提供了一个良好的工具。
在计算方法允许范围内，通过对简化模型和实测模型进行对比，通过比较来获得最符合实际的步行曲 线和对于振动舒适度中结构的自振频率的分析。研究高阶振型的影响，阻尼对于楼面振动的影响，以及一 些可能的其他因素的影响。诸如运动场类型。楼板厚度等的影响。

四、结论
综上所述，本项目通过对振动舒适度的评价标准进行研究，借鉴国际上做过的一系列著名的振动舒适 度实验，由此产生一系列的标准和规范，提出适合大跨度楼板结构的舒适度评价标准。接着对人的行走和 跳跃荷载的激励进行研究，通过研究人的行走和跳跃行为的基本特性，主要包括人行走的频率，人的步长 等。通过实验测定人的步行和跳跃曲线，并进行数学简化，最后对于大跨度楼板振动舒适度的计算方法进 行了详细的研究。准备研究影响振动舒适度的因素，如结构的自振频率等，通过考虑人的感受点和激励点 的不同所引起的折减系数，从而获得本项目的研究成果。本项目研究所确立的研究思路清晰，技术路线合 理，研究手段丰富，研究步骤细致，能够取得所预期的效果。

参考文献
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