火车站站房结构在人行和列车激励作用下的振动舒适度问题研究

论文摘要

随着大量新的结构设计技术,高强轻质材料和施工工艺方法等在第三代铁路客站建设中的应用,站房结构具有更轻更柔、空间跨度和悬挑跨度更大、支撑结构更复杂、楼面形状更不规则等特点,另外出现以往站房建设中没有遇到过的“列车-桥梁-站房结构一体化”结构,使得站房候车大厅的竖向支撑直接落在下部行车轨道上,列车高速通过时所引起的振动直接传到上部结构,加上上部结构跨度大、轻柔、自振频率低等特点,很容易在列车高速通过站房时引起候车大厅内候车者的不舒适感。本文从振幅、峰值加速度、K值、振动级等几个方面对国内外重要的舒适度评价准则进行分类介绍,对各评价准则的应用范围、使用方法及其优劣、局限性等给出评价,结合新广州站候车大厅某工况加速度时程对各评价准则进行比较,最终确定采用振级法作为本文舒适度评价的方法,并编制相关程序来计算振级,方便实际应用。本文分两部分就人对建筑结构振动的影响进行分析。第一部分是主动影响,即人行荷载对结构振动的影响,介绍了人步行的物理学原理,对几种连续行走激励时程曲线模型进行比较,并提出了一种新的连续行走曲线模型。另外还给出两种计算简单一维和二维结构在人行荷载作用下振动响应的方法。第二部分是被动影响,即静止人对结构振动的阻尼作用,介绍了该领域的国内外研究现状和一些国际上著名的实验,对几种人体动力学模型进行分析,并结合前人的一个比较完整的实验采用结构力学方法求得站姿人体的自振频率、刚度和阻尼比等动力学参数,为后续研究静止人群对楼板振动的阻尼作用奠定一个较好的基础。本文对新广州站站房候车大厅楼板在人行作用下的振动舒适度进行了计算。计算分单人和人群荷载,单人荷载计算采用人行曲线的傅里叶级数模型对候车大厅两个跨度较大的楼板部分进行有限元时程分析;人群荷载计算对人群集中于楼板中部和分散于多点时楼板的响应进行了计算,并进行了舒适度评价。本文对新广州站站房楼板在列车高速通过时的振动舒适度进行了计算,并从楼面响应最大值、典型变形图、楼而响应沿横轨向和顺轨向分布、典型响应时程等几方面对计算结果进行分析,给出计算结论和舒适度评价结果。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 序言
• 1.1 课题背景和意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.3 本文的工作
• 第2章 建筑结构中的振动舒适度评价准则
• 2.1 基于振幅的振动舒适度评价准则
• 2.1.1 振幅、频率相关概念
• 2.1.2 主要评价准则
• 2.2 基于峰值加速度的振动舒适度评价准则
• 2.2.1 峰值加速度相关概念
• 2.2.2 主要评价准则
• 2.3 基于K值的振动舒适度评价准则
• 2.3.1 DIN4025的K值法
• 2.3.2 VDI2057的K值法
• 2.3.3 DIN4150的K值法
• 2.4 基于加速度振动级的振动舒适度评价准则
• 2.4.1 加速度振动级相关概念
• 2.4.2 加速度振动级的计算方法
• 2.4.3 主要评价准则
• 2.4.4 基于Matlab编制的振级法舒活度评价程序
• 2.5 其他振动舒适度评价准则
• 2.6 基于实例的各振动舒适度评价准则比较
• 2.7 本文拟采用的舒适度评价准则
• 2.8 本章小结
• 第3章 人的活动对建筑结构振动的主动影响
• 3.1 人行走行为的基本物理学原理
• 3.1.1 人行走的单步落足曲线
• 3.1.2 人行走的步频
• 3.1.3 人行走的步幅
• 3.1.4 双足同时触地时间对人行荷载的影响
• 3.2 人连续行走激励力时程曲线的简化模型
• 3.2.1 实测人连续行走曲线
• 3.2.2 名义单步落足曲线考虑重叠时间得到的人连续行走曲线
• 3.2.3 实测人连续行走曲线的折线简化模型
• 3.2.4 人连续行走曲线的傅立叶级数模型
• 3.2.5 人连续行走曲线的正弦函数模型
• 3.2.6 人连续行走曲线的傅立叶级数模型减去恒定值部分
• 3.2.7 人连续行走曲线考虑空间和时间效应的理论简化
• 3.3 几种连续行走曲线简化模型的对比
• 3.3.1 直观数值对比
• 3.3.2 大跨楼板在人行荷载下的响应对比
• 3.4 一种新的人连续行走曲线模型——三角波模型
• 3.5 振型分解法计算人行荷载下一维结构的最大响应
• 3.5.1 振型分解法简介
• 3.5.2 实例:简支梁在人行荷载下的最大响应计算
• 3.6 杜哈梅积分法计算人行荷载下一维结构的最大响应
• 3.6.1 杜哈梅积分法简介
• 3.6.2 实例:简支梁在人行荷载下的最大响应计算
• 3.7 大跨楼板在人行荷载下的最大响应计算
• 3.7.1 大跨楼板简化计算方法简介
• 3.7.2 实例:大跨楼板在人行荷载下的最大响应计算
• 3.8 本章小结
• 第4章 静止人对建筑结构振动的阻尼作用
• 4.1 静止人对结构阻尼作用的研究现状
• 4.2 著名的关于静止人对结构振动性质（阻尼、频率）改变的实验
• 4.2.1 Ellis和T.Ji对Twickenham体育场的实测实验
• 4.2.2 Littler（1998）对某体育场可回收看台的实验
• 4.2.3 Ellis和T.Ji（1994）的简支梁实验
• 4.2.4 Hothan（1999）的组装钢梁实验
• 4.2.5 Brownjohn（1999，2001）的预应力简支混凝土板实验
• 4.3 静止人对建筑结构阻尼作用的动力学模型
• 4.3.1 无阻尼离散模型
• 4.3.2 无阻尼连续模型
• 4.3.3 阻尼离散（TMD）模型
• 4.4 站姿静止人体自振频率和阻尼比等振动特性的计算
• 4.4.1 Falati（1999）所做的人-板动力相互作用实验
• 4.4.2 用人-结构无阻尼2DOF模型求站姿静止人体的自振频率和刚度
• 4.4.3 用人-结构TMD模型求站姿静止人体阻尼比
• 4.4.4 站姿静止人体响应与结构响应的比值关系
• 4.5 本章小结
• 第5章 新广州站站房在人行荷载下的舒适度计算
• 5.1 新广州站工程简介
• 5.2 新广州站高架候车层楼板结构布置及特点
• 5.3 候车大厅楼板在单人行走荷载作用下的振动响应计算
• 5.3.1 东平台与C轴伸缩缝之间的大跨度钢桁架
• 5.3.2 西平台与E轴伸缩缝之间的大跨度钢筋混凝土楼板
• 5.4 候车大厅楼板在人群行走荷载作用下的舒适度计算
• 5.5 候车大厅楼板在多点人群行走荷载作用下的舒适度计算
• 5.6 用本文提出的新的人连续行走曲线模型进行计算
• 5.7 本章小结
• 第6章 新广州站站房在列车高速通过时的振动舒适度计算
• 6.1 车辆-桥梁-结构系统的动力学求解策略
• 6.2 新广州站站房结构概况
• 6.2.1 新广州站结构形式简介
• 6.2.2 新广州站有限元模型简介
• 6.2.3 新广州站站房候车大厅楼板划分
• 6.2.4 新广州站站房候车大厅结构自振频率
• 6.3 计算工况和参数设定
• 6.3.1 新广州站站场轨道设置
• 6.3.2 本次计算列车选择
• 6.3.3 本次计算工况设定
• 6.3.4 本次计算参数选取
• 6.4 列车激励对新广州站站房候车大厅楼板的振动影响计算
• 6.4.1 候车大厅楼板全范围内的最大位移与加速度
• 6.4.2 候车大厅楼板的典型变形
• 6.4.3 候车大厅楼板的位移和加速度沿横轨向的分布
• 6.4.4 候车大厅楼板的位移和加速度沿顺轨向的分布
• 6.4.5 候车大厅楼板的位移和加速度典型时程
• 6.4.6 候车大厅楼板振动舒适度评价
• 6.5 计算结论
• 6.6 本章小结
• 课题结论与展望
• 附录A:韦尔奇法计算功率谱密度函数
• 附录B:Murray动力荷载系数
• 参考文献
• 致谢