多层立体汽车客运站车致振动实测研究_谢伟平.pdf

振 动 与 冲 击 第 39 卷第 13 期JOURNAL OF VIBRATION AND SHOCKVol. 39 No.13 2020 基金项目 国家自然科学基金51178365 收稿日期 2019 -01 -21 修改稿收到日期 2019 -04 -19 第一作者 谢伟平 男,教授,博士生导师,1965 年生 多层立体汽车客运站车致振动实测研究 谢伟平1, 张 辉1, 何 卫2 1. 武汉理工大学 土木工程与建筑学院,武汉 430070;2. 中国地质大学武汉 工程学院,武汉 430074 摘 要随着城市化的加速,多层立体客运站已经渐渐成为汽车客运站的主要形式。 多层立体客运站拥有寻求向 空间发展、多层同时发车、功能层层叠加的等优点,但停车场和发车点设置在客运站内部的楼板上会带来一系列的振动问 题。 考虑了不同速度、不同车型、不同行驶方式等因素的影响,基于振动实测数据测量分析楼板的动力响应、频谱特性及 其影响因素,并对客运站内的功能区进行振动测试和舒适度评价。 研究结果表明车速是整个客运站振动超标的主要原 因,而轴重在小幅度增加的情况下振动响应影响不大;刹车急刹或缓刹和转弯等情况下的行车方式会导致速度的减 小,从而导致竖向振动的减小;当车辆通过办公区域正下方时,办公区域内舒适度会出现超过限值的情况,建议在客运站 内部车辆的行驶速度要低于一定的阈值。 最后,客运车辆导致的楼板垂车向、顺车向振动存在量级上的差异,因此综合交 通枢纽车站的振动舒适度问题可以主要关注竖向振动。 关键词 客运车辆荷载;实测;时频特性;舒适度 中图分类号 TU311. 3 文献标志码 ADOI10. 13465/ j. cnki. jvs. 2020. 13. 034 Field measurement for vehicle induced vibration of a multi-story 3-D bus station XIE Weiping1, ZHANG Hui1, HE Wei2 1. School of Civil Engineering and Architecture, Wuhan University of Technology, Wuhan 430070, China; 2. Engineering Faculty, China University of Geosciences Wuhan, Wuhan 430074, China Abstract With the acceleration of urbanization, multi-story 3-D bus station has gradually become the main of bus station. Multi-story bus station has advantages of seeking for space development, multi-story simultaneous departure and layers of functions. However, parking lots and departure points set on floors of the bus station can bring a series of vibration problems. Here, effects of different speeds, vehicle types and driving modes were considered.Based on measured vibration data, dynamic responses, spectral characteristics and influencing factors of floor slabs of a bus station were analyzed, and vibration tests and comfort uation were conducted for functional areas of this bus station. Results showed that bus speed is the main reason why vibrations of the whole station exceed the standard, vehicle axial load has little effect on vibration response when it increases slightly; driving modes in case of braking quick or slow braking and turning cause decrease in speed so as to reduce vertical vibration; when a vehicle passes directly under an office area, the comfort level inside the office area may exceed the limit value, so vehicle speed should be lower than a certain threshold value inside the bus station; there are differences in magnitude of vibrations in vertical and along vehicle directions caused by passenger vehicles, so the vibration comfort of a comprehensive transportation hub station can mainly focus on vertical vibration. Key words passenger vehicle load; field measurement; time-frequency characteristics; comfort level 随着城市化的加速,客运车站作为城市交通的重 要组成,然而随着城市用地的越来越紧张,全国已有多 个城市建立了多层立体客运车站[1]。 所谓多层立体客 运车站就是摒弃“前站后场”式的单层发车、横向展开 的客运模式,将停车场和发车点设置在建筑物的内部 的一种新型形式。 这种新型形式的优势在于多层同时 发车、功能层层叠加,同时能够结合基地的高差,合理 安排停车位和发车位,可解决需求规模大和用地面积 小的矛盾。 虽然多层立体客运站有着诸多优点,但是由于现 在客运车辆的重量不断增大,以及人们对生活工作环 境舒适性的要求越来越高。 这种多层空间框架或框架- 剪力墙结构在长期大型客运车辆所引起的振动荷载作 ChaoXing 用下面临着诸多问题,其中以下方面尤其值得关注 1 较大的振动对旅客、办公人员以及司机等人 员造成恐慌。 例如深圳市莲塘口岸旅检大楼[2]遭遇 了大型货柜车启动、刹车和行驶引起过大的结构振动, 上部出入境大厅振动舒适度难以满足要求; 2 离车道较近的附属结构长期处于振动环境 下,可能会发生脱落和损坏,危及到车站的运营和旅客 的安全; 3 后期的减振改造工程困难且费用高。 由于车 致振动带来的减振改造固工程不仅会增加造价,影响 工期,还会一定程度的影响建筑功能、效果。 故研究该种新型结构的客运车站的车致振动问 题,对该种结构形式的客运站的发展和推广具有重要 意义。 这种特殊的结构形式中楼板的振动问题,近些 年已引起了部分学者的重视[3]。 针对汽车荷载的荷载特性[4-6]国内外已经做了大 量的研究,滕军等[7]课题组建立能反映车辆与减速带 及楼板相互耦合作用的车辆减速带-结构一体化模型, 对车辆经过减速带的过程进行模拟,并与简化荷载作 用下的结构振动响应进行对比,分析耦合振动对结构 响应的影响。 贾宝印等[8]对行驶重载卡车引起的地面 振动进行现场实测,从加速度峰值、频谱和振级上分析 了振动的衰减情况,并用两种方法讨论了扣除背景振 动的振级,然后用基于最小二乘原理的模式搜索法拟 合出了振动的衰减公式。 Fang 等[9]研究城市交通引起 的环境振动问题,对城市道路上交通荷载引起的地面 振动进行了现场试验,并从时间域分析了振动的衰减 情况。 利用 MATLAB 软件对衰减系数进行曲线拟合, 计算出振动随深度的变化。 学者们针对荷载在地面的 传播特性进行了分析,很少考虑行驶方式等的影响。 而对于枢纽车站的楼板振动问题,崔聪聪等[10]针 对“站桥合一”的大型综合交通枢纽工程,研究在不同 行车速度和不同线路工况下候车厅楼板以及大跨度悬 挑结构的振动响应传递规律,研究列车高速过站时站 房结构的动力响应,分析客运站各个楼层的动力响应 规律、车致振动在客运站内的传播衰减规律。 但大多 客运枢纽的楼板振动问题都是针对列车导致的振动问 题,而客运车辆在建筑物内部形式造成的振动往往被 忽略。 目前,国内外对该种结构形式的研究较少,测试工 作十分有限。 本文对已投入运营的某交通枢道路客运 场站的发车平台和办公区域分别进行了荷载特性测试 和办公区域的舒适度测试。 通过实测分析了不同客运 汽车运行工况下大跨车站楼板结构的时频振动特性, 研究车速、载重和行车方式等因素对车站结构中车辆 荷载特性的影响。 之后,通过对办公室区域的舒适度 测试,对客运车辆在不同速度通过客运车站的功能区 正下方时办公区域进行振动舒适度评价,同时给出客 运车站车辆行驶的一些建议。 1 工程概况 某客运站为一个地上四层地下两层,建筑面积约 为 9. 54 万平方米的多功能框架结构大型客运枢纽。 地上部分一楼为安检大厅、服务台、检票口、候车大厅 和发车点,二楼、三楼为办公区域和商业区图 1 为客 运车站的一楼区域布置图。 图 1 客运站的区域平面布置图 Fig. 1 Regional layout of car passenger bus stations 地下部分负一层为客运车辆停车场和与下客区, 负二层为社会车辆停车场。 该客运站下部框架结构主 要由 12 m 12 m、12 m 15 m 的柱网构成。 本次测试 分析分为车辆荷载特性测试和办公区域的舒适度测试 两个部分,测试场地的具体位置如剖面如图 2 所示。 图 2 客运站剖面图 Fig. 2 Profile of passenger bus station 932第 13 期谢伟平等 多层立体汽车客运站车致振动实测研究 ChaoXing 2 车辆荷载特性实测和分析 2. 1 实测方案 在综合交通枢道路客运场站的一楼发车平台进行 汽车加载试验,在一层发车区域的楼板进行测点布置。 汽车加载车队选用客运车站发车率最高的几种车型, 具体的车辆参数和参数示意图如表 1 和图 3 所示。 一 楼发车区域横向跨过 3 跨楼板,分别为 12 m、15 m 和 5 m。 车辆跑车的位置位于 15 m 跨中位置。 测点位置、 汽车加载方式与运行速度等如表 2 所示。 测试前通过 使用测速仪对站内日常行驶的车辆的进行测速,结果 表明,车站内客运汽车的行驶的速度大约在 20 30 km/ h,均高于客运站内部的行驶速度限值 5 km/ h。 故 此次测试的车速选择为 5 km/ h、10 km/ h、20 km/ h、30 km/ h、40 km/ h,测点分别在 12 m 跨和 15 m 跨的跨中 位置,具体的工况设置以及测点布置如表 2 所示。 表 1 车辆参数 Tab. 1 Vehicle parameters 车辆 编号 车辆 长度/ m 整车 高/ m 整车 宽/ m 总质量/ kg 额定 载客/ 人 前悬后悬/ mm轴距/ mm 110. 53. 492. 4914 200472 300/3 1605 000 5 300 210. 53. 492. 4914 200472 300/3 1605 000 5 300 3123. 852. 5516 300552 350/3 2406 350 413. 73. 572. 5521 000612 620/2 680,2 620/2 9806 900 1 500,6 600 1 500 表 2 测试工况 Tab. 2 Test condition 工况车辆行驶情况车速/ kmh -1 行车路线和测点布置位置 工况一单车匀速运行 5 10 20 30 40 工况二两车并排通过 20 30 工况三 单车刹车缓刹30 单车刹车急刹30 工况四单车转弯20 工况五四车集中通过20 042振 动 与 冲 击 2020 年第 39 卷 ChaoXing 图 3 车辆参数示意图 Fig. 3 Schematic chart of vehicle parameters 测试仪器采用丹麦 Ba1为振动加速度有 效值。 由图 6 可以看出速度增大楼板的三个方向上的 加速度响应都有所增加,竖向增加的最为明显。 从图 中也可以看到振动的主频段在 10 20 Hz,车速达到10 km/ h 之后,一阶振动频率在 10 12. 5 Hz,这与楼板的 自振频率相接近。 当车速达到 30 km/ h,激发出楼板的 第二个卓越频率,大致在 16 Hz 左右。 2. 3 轴重影响 根据实际运营的几种车型其轴重信息参见表 1 进行跑车实验,以 20 km/ h 的速度匀速行驶双车四车 的行车形式如表 2 中图所示。 几种工况下轴重分别为一号车轴重 C1 14. 2 t 一号车、C2 16. 2 t三号车、C3 21 t四号车、 C4 35. 2 t一号车四号车并排行驶、C5 79. 9 t四 车两两并行。 图 7 是速度不同情况下对应的三向的 三分之一倍频程中心频率相对应的加速度级。 图 8 中 可以看出当速度在 20 km/ h 的速度行驶时,轴重在一 定程度的增加时,板 1号点的加速度会有小幅度的增 加。 同时,车辆的并排行驶也不会导致加速度峰值的 迅速增加。 C1 C5 轴重较为接近,在一个量级,故其 加速度峰值差异不大。 a 竖向分频振级 b 顺车向分频振级 c 垂车向分频振级 图 7 3 号车不同速度下 1测点楼板加速度级频谱图 Fig. 7 The acceleration spectrum of measuring-point floor slab No. 1 under different speeds of car No. 3 a 竖向时程图 b 竖向频谱图 图 8 不同轴重下 1测点楼板竖向加速度时程频谱 Fig. 8 The time-history spectrum diagram of vertical acceleration of measuring-point floor slab No. 1 under different axle load 图 9 为 2 号车在五种不同的速度下 1测点的三分 之一倍频程的分频振级图,由图可知,荷载主频段仍为 10 20 Hz。 而轴重的在一定范围内的增加各频段加速 度级增加不明显,且也不会导致高频段的振型被激发 出来。 2. 4 行车方式影响 本次测试测试了在客运站内部经常会发车的急 刹、缓刹、以及转弯等行车方式,具体安排了工况三和 工况四两种行车方式,并与工况一中对应的速度进行 对比。 2. 4. 1 刹车影响 刹车工况如表 2 中示意图所示的区域作为刹车区 域,故把 4测点的数据作为刹车点的数据,让车行驶到 30 km/ h 后进入刹车区域分别以急刹和缓刹进行刹车 到静止,随后制动驶出测试区。 图 9 为三种行车方式 下五次行车的三个方向加速度的峰值的均值。 正如图 10 所示,车辆的制动刹车,并没有引起三 个方向加速度峰值的增加,反而刹车时速度的降低会 导致各向加速度峰值的降低。 同时,缓刹的各向加速 度要比急刹的加速度要高,车辆车速在急速下降的过 242振 动 与 冲 击 2020 年第 39 卷 ChaoXing a 竖向分频振级 b 顺车向分频振级 c 垂车向分频振级 图 9 不同轴重在速度 20 km/ h 下 1测点楼板竖向加速度级图 Fig. 9 Vertical acceleration level map of floor floor at 1 measuring point under different axis load at speed of 20 km/ h 图 10 2 号车不同行驶方式在30 km/ h 下4测点楼板竖向加速 度峰值柱状图 Fig. 10 Column chart of vertical acceleration peak of floor floor at 4 measuring point under different driving s of vehicle No. 2 程中楼板顺车向加速度和垂车向加速度并没有增加反 而有所减小。 图 11 中车辆在急速下降的过程中楼板顺车向加 速度和垂车向加速度并没有增加反而有所减小。 且在 刹车的情况下,三个方向加速度的主频段并没有改变。 同时刹车和转弯导致的横向冲量并不能激发出大型客 运站的横向模态,致使顺车向和垂车向的振动减小。 2. 4. 2 转弯影响 对于转弯,在现有的测点的情况下的一号测点作 为转弯的中心点进行右转。 具体的行驶方式如表 2 中 图所示。我们把拐点1号点作为观测点。考虑到安全 a 竖向分频振级 b 顺车向分频振级 c 垂车向分频振级 图 11 2 号车行驶在 30 km/ h 三种行驶状态下的 1测点楼板竖向加速度级图 Fig. 11 Vertical acceleration level map vertical acceleration of measuring-point floor slab No. 1 under three driving conditions of car No. 2 at the speed of 30 km/ h 着想,车速在转弯的前达到 20 km/ h 之后进行转弯。 图 12 为 20 km/ h 下 4测点楼板三向加速度峰值柱 状图 由图 12 所示,转弯行驶下车辆的也不会导致楼板 各个方向振动的增加,相反有所减少。 驾驶员在转弯 时会习惯上减速进行转弯,所以导致三个方向上的加 速度的减少。 由图 13 所示,转弯工况下,楼板的各个方向的振 动一阶波峰仍然是在 10 12. 5 Hz,且竖向加速度仍然 比顺车向加速度和横车向加速度要大很多。 车辆在建 筑物内刹车急刹或缓刹、转弯等行驶方式下,驾驶员 图 12 2 号车不同方式20 km/ h 下4测点楼板竖向加速度峰值 柱状图 Fig. 12 The bar chart of vertical peak acceleration of measuring- point floor slab No. 4 under different driving s of car No. 2 at the speed of 20 km/ h 342第 13 期谢伟平等 多层立体汽车客运站车致振动实测研究 ChaoXing a 竖向分频振级 b 顺车向分频振级 c 垂车向分频振级 图 13 4 号车行驶在 30 km/ h 两种行驶状态下的 1测点楼板竖向加速度级图 Fig. 13 Vertical acceleration level map of vertical acceleration of measuring-point floor slab No. 1 under two driving conditions of car No. 4 at the speed of 30 km/ h 都是在一定的减速行驶情况下才可以完成,故整个楼 板的振动幅值和动力效应都会减小。 3 车站内部的办公区域的舒适度测试 从图 3 中整个客运站的剖面图可以看到,在办公 区域的正下方的负一楼位置会有到发的重载客运车辆 的行驶通过,从而导致办公室工作人员的不舒适甚至 恐慌。 3. 1 实测方案 车辆在负一楼行车时走向如图 14a所示。 选取 办公室内板中心的点作为主要测点,测点位置图如图 14b所示。 a 测点布置剖面图 b 测点布置平面图 图 14 办公室区域测点位置 Fig. 14 Measuring-point location of the office 本次评价选取三号车以 10 km/ h、20 km/ h、30 km/ h、40 km/ h 四个速度经过会议室正下方时楼板中心点 振动情况,通过相应的评价标准进行评价。 3. 2 评价标准的选取 国内外有很多学者针对大跨度空间结构的舒适度 问题进行研究[11-14],但目前对大型的汽车客运站振动 舒适性的分析和评价没有统一的方法和标准。 综合比 较各个国家振动舒适度标准的适用范围,把客运站内 部行驶的客运车辆看作是建筑物内部的运动的机械, 而振动接收者则就是在客运站内部正常工作的人,这 些与 ISO 101372007[15]适用条件相吻合,如表 3 附录 所示。 故本次舒适度评价执行 ISO 101372007 Bases for design of structuresServiceability of buildings and walkways against vibrations,客运车辆车致振动响 应的垂车向、顺车向向振动存在量级上的差异,因此综 合交通枢纽车站的振动舒适度问题可以主要关注竖向 振动。 表 3 振动舒适度评价执行标准 Tab. 3 First order vertical vibration frequency of floor slab 评价 标准 评价量标准限值备注 ISO 10137 计权均 方根加 速度/ ms -2 住宅办公楼 铅垂向0. 010. 02 水平向0. 007 2 0. 014 4 三向合成0. 007 2 0. 014 4 振动剂 量/ m s -1. 75 1 0. 2 0. 4,不舒适的可 能性较小; 2 0. 4 0. 8,有可能不 舒适; 3 0. 8 1. 6,很有可能不 舒适。 1 Wk和 Wd计权; 2 当波峰 因数大于 6 时,应同时 评 价 振 动 剂量; 大型客运站内部办公区相较于其他办公区域不 同,需要 24 h 值班,工作人员有需要在客运站内部值班 的生活区。 故其舒适度评价标准限值应按 0. 01 m/ s2计。 关于规范的适用范围的附录 1 适用对象建筑物、走道1. 人行桥;2. 人行天 桥;3. 没有车辆行驶仅仅只有行人走动的走道。 2 振源建筑物内部振源包括人的活动、物品 的位置变动、仪器的冲击、运动的机械推车、升降机、 电梯、传输带、吊车等、建筑部本身的部分结构的施工 或拆除等等; 3 频率范围0. 15 100 Hz。 楼板中心点的铅垂向的均方根加速度值和峰值因 数如表 4 所示,当车辆经过办公区域正下方时,当行驶 速度在 10 km/ h 以上时,办公室内的计权均方根加速 度值经常会超过限值,引起办公室内环境的不舒适。 且其峰值因数小于 6,不需要进行评价振动剂量。 故建 442振 动 与 冲 击 2020 年第 39 卷 ChaoXing 议在车站内行驶速度在 10 km/ h 以内。 表 4 各车速车辆通过时办公区域板中心点铅垂向的计权均方 根加速度值和峰值因数 Tab. 4 First order vertical vibration frequency of floor slab 车辆速度 计权均方根 加速度/ ms -2 峰值 因数 限值/ ms -2 10 km/ h 10. 007 94. 030. 01 20. 007 53. 290. 01 30. 008 42. 830. 01 20 km/ h 10. 013 33. 690. 01 20. 009 35. 230. 01 30. 011 63. 670. 01 30 km/ h 10. 016 83. 460. 01 20. 010 63. 300. 01 30. 016 62. 600. 01 40 km/ h 10. 014 02. 860. 01 20. 018 34. 470. 01 30. 012 52. 600. 01 由图 15 可知,客运车辆经过办公区域正下方时引 起的楼板的振动是荷载与楼板产生了拍现象,与车辆 通过产生的荷载产生共振效应放大作用效应。 从而导 致了办公室区域内工作人员的不舒适性。 图 15 4 号车以 40 km/ h 通过时 3的加速度时程频谱图 Fig. 15 The time-history spectrum diagram of the acceleration of measuring-point floor slab No. 3 during car No. 4 passing at the speed of 40 km/ h 4 结 论 1 轴重在 10 40 t 的客运车辆以 40 km/ h 的速 度行驶在 12. 0 m 12. 0 m 跨和 12. 0 m 15 m 跨的预 应力楼板跨中时,引起楼板距板边缘 6 m 处的竖向振 动加速度峰值大致在 0. 2 m/ s2。 2 客运车辆引起的楼板振动,随着车速增大,楼 板加速度峰值增大,优势频段向高频方向移动,主要频 段为 10 20 Hz,且振动的一阶主频在 10 12. 5 Hz,与 楼板的一阶受弯自振频率相接近。 不同于车速,车辆 的轴重增加不大的情况下,荷载的差异性不大。 刹车 急刹或缓刹和转弯等情况下的行车方式会导致速度 的减小,从而导致竖向振动的减小,同时刹车和转弯导 致的横向冲量并不能激发出大型客运站的横向模态, 致使顺车向和垂车向的振动减小。 3 客运车辆导致的楼板垂车向、顺车向振动与 竖向振动存在量级上的差异,因此综合交通枢纽车站 的振动舒适度问题可以主要关注竖向振动。 车辆经过 车辆内部停车场时会导致正上方的办公区域的楼板振 动超过标准限制,且会引起客运站内部生活区的不舒 适感。 车辆在车站内部引起的楼板振动,最主要与车 速有关,建议在客运站内部行车控制车速在 10 km/ h 以内。 本文只开展了这种多层立体型客运站实际结构的 现场测试,并总结了客运车辆行驶下楼板振动的一些 规律,研究结果和研究成果对国内类似工程的设计、舒 适度评价等具有参考价值。 限于篇幅所限,该客运站 整体的舒适度评价和数值模拟将另文介绍。 参 考 文 献 [ 1] 尹从峰. 从平面到立体-合肥两个现代汽车客运站设计 [J]. 城市建筑, 2017,1326118-121. 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