结构荐读丨人致结构振动舒适度评估标准研究综述

百科 2025-02-04 10:51 北京

人致结构振动舒适度评估标准研究综述

文/陈隽，曾东鋆，曹雷，等

摘要

人致结构振动在大跨工程结构设计中日益受到重视,但振动评价标准的相关研究却相对滞后。首先通过文献的知识图谱分析,得到了近期研究关键词的共性分析图、聚类分析图和突现性表。结果表明:振动舒适度限值是振动舒适度领域近期研究的热点。进而从试验研究和标准规范两个维度,对近百年来代表性的振动舒适度限值研究进行了梳理,整理了近40部规范的规定及相互承启关系。结果表明:传统研究方式难以避免人的特殊性和主观感受差异性对试验结果的影响,各规范存在数据基础薄弱、振动指标不统一、影响因素单一、覆盖性和延续性差等问题。最后讨论了未来两个可能的工作方向。

0 引言

建筑物振动导致的使用者对振动有感、不适、头晕、注意力丧失、恶心、恐慌甚至器官损伤等现象称为工程结构的振动舒适度问题。伴随工程结构更高、更长、更轻的发展趋势,结构基频下降,阻尼减小,由各类动力荷载造成的振动舒适度问题也日益凸显。例如,强风引起的高层建筑振动^[^1-2],人群活动造成的大跨桥梁^[3]、大跨楼盖^[4]和体育看台^[5]的振动,地铁运行及路面交通^[6-7]等引起的上部建筑振动,以及室内叉车^[8]、楼面动力设备^[9]运行等造成的楼盖振动,都曾引起振动舒适度问题,也成为建设“好房子”的时代任务中必须重视的用户体验问题。对于大跨度建筑楼盖、大跨人行桥以及体育看台等,由于人的步行、跑动或跳跃等动作引起的人致结构振动舒适度问题已成为此类结构设计的关键甚至控制因素。

对于不同类型动力荷载下的工程结构振动舒适度问题,相关研究工作大都沿着荷载建模、响应分析方法和振动评价标准三个方向展开。这其中,评价标准用来最终判断振动对使用者的影响程度,是不同类型结构、承受不同动力作用时振动舒适度分析的共性科学问题,也是评判不同减振措施效果的重要依据。然而,与其他两个方向的研究成果相比,评价标准的研究相对滞后,已成为人致结构振动舒适度方向从理论研究到工程实践全链条中最薄弱的一环。因此,以人致结构振动舒适度为例,本文首先采用文献的知识图谱分析的手段对近期的研究焦点进行了梳理,进而详细论述了舒适度评价标准的研究发展脉络和存在问题,并对未来可能的发展方向进行了讨论。

1 工程结构振动舒适度文献知识图谱分析

在知网CNKI数据库中按照[(主题:人致振动+人致激励)]OR[(关键词:人致振动+人致激励+Bounce荷载+步行荷载+跳跃荷载+行走激励+行人荷载+跑步荷载+人结相互作用(模糊))]检索自2000年以来的期刊文献,得到385篇期刊文献(截至2024年3月并忽略了会议文献、学位论文等),逐篇人工阅读筛选后确定了378篇有效期刊文献。采用类似主题词和相同的时间段,检索Web of Science数据库,共获得965篇英文期刊文献,逐篇人工阅读筛选后确认了318篇有效英文期刊文献。

由以上检索结果统计了发文量前十的中英文期刊及其发文量,结果见表1。表中可见,发文总量前十的中英文期刊均为领域内的重要刊物,对应的发文量也相似,从侧面反映了国内外对振动舒适度问题相同的重视程度。

表1 发文量排名前十的中英文期刊及发文量

采用Citespace对上述中文文献进行了知识图谱分析,获得了其关键词共现图(图1)、聚类图(图2)和突现表(表2)。对英文文献进行了同样的分析,因结果类似,考虑篇幅限制,不再单独列出。

图1 关键词共现分析图

图2 关键词聚类图

表2 领域研究的前10个突现关键词

注:起始年份至骤减年份为关键词成为热点的时间范围;红色线条代表该关键词成为学术研究热点的具体历时阶段,浅蓝色线条代表关键词还未出现,深蓝色线条表示关键词开始出现。

关键词共现分析是知识图谱分析的基础,高频关键词和高中介中心性关键词可以揭示某一研究领域的重要知识基础。图1中节点大小表征关键词出现的频次,颜色表征关键词出现的年份,冷色调表示比较早的年份,暖色调表示较近年份。根据图1的结果,合并相近词义的词并忽略“人致振动”这一检索词后,主要关键词有人致(人行/步行/行人)荷载、人致激励、人行桥(桥梁工程)、舒适度、大跨楼盖,正好体现了前文所述的荷载取值、分析方法和评价标准三个核心问题。

关键词聚类分析有助于发现某一领域相关研究的分布情况。本文采用对数似然比(log likelihood ratio,LLR)进行关键词聚类分析。Q值(模块值)为0.83,S值(平均轮廓值)为0.96,说明聚类结果可信度高,适用于分析。图2中聚类编号越小,表明该类下的文献研究规模越大,研究热度越高。结果显示人致振动、大跨楼盖、舒适度三方面的研究热度最高。

关键词突现性指在一定时期内关键词出现频率的快速增加,可反映该时段的研究热点或研究趋势的转变。表2表明研究热点从早期偏重特定对象的人致振动计算分析和设计方法(人行桥、动力设计、自振频率、大跨楼盖)逐步转移到了近期的测试与评估(现场实测、动力特性)。

2 振动舒适度限值国内外研究现状

文献图谱分析表明舒适度评价标准是当前研究的焦点,类似评价标准在交通工程、车辆工程、船舶工程甚至航空航天工程等领域同样有着广泛的用途,因此本节继续对振动舒适度限值的研究做扩展讨论。

2.1

振动舒适度限值常用强度指标及设计规范

振动舒适度限值用于评价振动对受振者的影响程度,结构设计中主要包括:1)觉察限值:指多数人刚好能感觉到的振动强度;2)舒适限值:指多数人觉得不舒适的振动强度;3)其他限值:特殊场景的振动限值,如动力设备操作时的手传有害振动强度。目前相关研究集中在觉察限值和舒适限值(以下统称舒适度限值),大多数规范中所规定的也是这两个加速度限值。

舒适度限值一般用受振点的振动加速度的强度表示,其大小与受振者的姿态(如站姿、坐姿和卧姿)、受振方向(竖向、水平)以及所处环境(办公、工厂)等有关,常用强度指标有:峰值(Peak)、均方根值(root-mean-square,RMS)、振动计量值(vibration dose value,VDV)、加速度均四次方根值(root-mean-quad,RMQ)以及最大瞬时振动值(maximum transient vibration value,MTVV)等。已有研究大都通过试验获得测试者对特定振动的主观评价,再经统计分析建立舒适度限值标准,因此以下分试验手段和舒适度限值标准两方面讨论。

表3总结了国内外近40部规范的基本情况,图3进一步梳理了主要规范之间的承启关系。可见ISO系列规范在振动舒适度规范中处于核心地位,各国规范在一定程度上受其影响。

图3 各规范间的承启关系

表3 主要振动舒适度相关规范对比

2.2

振动舒适度限值的试验研究

2.2.1 实验室研究

1931年,Reiher和Meister^[10]完成了振动舒适度限值研究的奠基性试验。他们利用实验室振动模拟装置,研究了频率范围在1～70Hz、位移幅度0.001～10cm的正弦振动对10～15名站姿、卧姿测试者的影响。测试者根据自己的实际感受,将所经历的振动评为:无感、隐约有感、有感、强烈有感、不舒服以及非常不舒服6个等级。他们在此基础上提出了按频率变化的振动限值,即著名的“reiher-meister scale”舒适度评价曲线,应用广泛,影响深远。

继Reiher和Meister的开创性工作之后,学者们开展了大量的舒适度感受的试验研究,并且都遵从基本相同的研究范式,即利用振动模拟或结构实测进行小样本试验,结合测试者的主观振感评价确定振动舒适度限值。

不同研究的主要差别在于试验装置、振动形式以及测试人数等。对于实验室振动模拟和结构现场测试两种典型试验方式,篇幅限制,不再一一论述,表4汇总了不同时期代表性试验及其主要参数与特色。

由表4可见,由于试验环境与真实环境的差异,传统的实验室研究结论在真实场景中适用性不高,且相互差异较大。

表4 振动舒适度模拟试验汇总

2.2.2 现场实测研究

为克服上述问题,借助于日趋成熟的激振设备和测试技术,自20世纪70年代,研究者们开始采用对已建结构激振或实测调查的方式研究舒适度限值。常用方式是用仪器记录结构的加速度幅值,同时采用问卷调查的方式获得居住者对振动的主观感觉,在统计分析的基础上对舒适度限值进行评价。表5对多种振动舒适度实测研究进行了对比,由表可见传统的现场实测研究样本一般较小,所考察的建筑数量也较少。

表5 振动舒适度实测研究对比

3 存在的问题和未来的挑战

3.1

存在的问题

文献分析表明,受制于“试验模拟+小样本统计”研究范式的局限性,现有结构振动舒适度限值研究有两个重要的问题始终未能很好地解决:一是由于试验对象“人”的特殊性,测试样本的数量和代表性难以满足统计建模的要求;二是由于不同人对相同振动感受的巨大差异,在实验室环境中依赖主观评价的试验方法难以全面反映真实情况。两个问题相互影响,甚至相互冲突,是造成目前不同规范所给振动限值差异显著、给实际应用带来困扰的根本原因,在表3和图3中具体表现在以下几点:

(1)数据基础和建模理论薄弱。现行大部分规范都与ISO系列标准有关,而ISO系列的核心数据基础,均来自于20世纪90年代之前的一批试验,当时的测试设备、手段以及数据分析方法有限。

(2)现有规范缺乏各种指标适用性、适用范围和转换关系的定量比较。实际测试经验表明^[43],对于同一栋建筑,采用不同的强度指标,舒适度评价结果可以完全不同。

(3)现有规范主要考虑结构类型(如楼盖、健身房、舞厅、人行桥等)这一个影响因素,未给适用于多种场景(如兼做餐厅的空中走廊、综合用途楼盖)的振动舒适度限值选取原则和合理变化区间。

(4)规范间的延续性差。有些ISO规范虽已不再使用,而以其为基础的后续相关规范却仍在使用。ISO 2631-2(1989)中以“基准曲线×倍乘系数”的形式给出适用于不同建筑的振动限值曲线,但其后续版本的ISO2631-2(2003)不再继续采用这种方式。然而,ISO-10137(1992)及后续的ISO-10137(2007)仍然沿用“基准曲线×倍乘系数”的方式。

3.2

未来的挑战

振动舒适度限值的研究包括数据收集和统计建模两大部分,相互影响,相互推动。一方面,数据收集是确定限值的基础,数据量是否充足,质量是否可靠以及考虑的参数信息是否全面,直接影响最终振动舒适度限值的可靠性和代表性。另一方面,建模方法指导试验设计和调查需求,试验和现场调查对象和方式应满足确定振动舒适度限值的需求。因此,未来工程结构振动舒适度的研究预计从试验技术的改进和建模理论的提升两方面展开。

(1)新型试验设备与实测方法的开发

改进试验设备和实测方法是解决统计样本量少、参数信息不完备的最直接思路。事实上,在高层建筑的风振舒适度研究中,国内外学者都曾尝试通过在振动台上尽可能还原真实使用场景的方式来改进振动舒适度研究的试验方法。英国学者也已经建成了一个集振动台、动作捕捉、虚拟现实和测力功能于一体的振动模拟装置,显著提升了场景模拟的真实性,可专门用于振动舒适度标准研究。此外,汽车、轨道交通领域的学者也在使用或改进振动座椅等试验设备,同步监测测试者血压、心跳等生理参数并研究它们对振动舒适度限值的影响。

现场实测+问卷调查的方式考虑周围环境因素的影响,并且具有良好的可行性和测试效果,也是舒适度标准研究的一种新方式。然而,目前的测试方案仍依赖专业人员和专门设备(如激振器、加速度传感器),或依赖结构上已有的健康监测系统,测试成本高,不具备大范围、大样本开展的可行性^[43]。如何在确保测试质量的前提下降低测试成本和部署的效率,是需要进一步着力解决的技术问题。

(2)体现主观感受模糊性的振动舒适度限值

试验测试和应用实践很早就指出,人体对于环境振动的主观反应具有模糊性,并尝试提出了烦恼率等指标,采用简单的确定性阈值指标难以反映这个特点。在日本规范AIJ ES001-V001(2018)中允许设计者根据“感受人群占比”的方式来自行确定舒适度级别,一定程度上反映振动感受的模糊性。长远看,在振动舒适度评估指标中引入随机性或模型性的思想,找到振动舒适度限值与其相关因素间的统计规律,最终建立与现有结构设计一致的可靠度理论基础,是必然的发展方向。同时,采用多学科融合交叉的手段,借用心理学等研究方法找到合理量化主观感受强度的方式并建立主观感受强度与振动强度的相关模型,也是确定新一代舒适度评价标准的必经之路。

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基金及作者简介：

国家自然科学基金(52178151),福建省自然科学基金青年项目(2022J05069)。

第一作者：陈隽，博士，教授，主要从事工程结构振动舒适度研究，Email：cejchen@tongji.edu.cn。

通信作者：曹雷，博士，副教授，主要从事工程结构振动舒适度研究，Email：2021020@fjjxu.edu.cn。

责任编辑：张梅花

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本文刊登于《建筑结构》2024年第20期，题为《人致结构振动舒适度评估标准研究综述》，点击“此处”可查看当期文章导览。

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