水平动态荷载及其抗侧刚度有效性研究

刘建武

摘要：本论文首先建立了适用于看台结构的人体水平荷载数学模型，并将之应用于临时看台结构，以水平动力响应作为舒适性评价指标，着重研究如何有效提高临时看台的抗侧刚度以实现提高临时看台结构安全性和舒适性的目标。

关键词：临时看台；水平荷载模型；抗侧刚度；舒适度评价；动力分析

引言

赛事活动和艺术音乐会上，观众大规模进出场和被互动等现象经常出现，相应的活动场所包括看台、舞台等。人群行走和被互动过程中会产生周期动力荷载，有节奏的激励包括：步行、摇摆、跳跃等，临时看台作为大而柔的结构，容易陷入共振频率区当中，极大地造成人体的不安、惊恐，甚至可能产生结构倒塌[4]。因此，临时看台结构设计和使用时，需要考虑人体动态荷载的影响。

1研究背景

临时看台搭建周期短，造价低，回收利用率接近百分百，且能重复使用，可变性强，是一种非常节能的绿色建筑。临时看台结构在欧洲乃至其他国家起步早，工程运用较广，如：世界一级方程式锦标赛，是最顶级、最有商业价值的赛车比赛，目前为止，大量使用临时看台结构，并取得了巨大的经济效益，见图1-1。足球比赛风靡全球，一些规模较小的场地也大量引进临时看台，很好解决了观众看球的需求和配套硬件不足的矛盾。奥运会作为世界体育盛事，临时看台有着广泛的使用：

1996年美国亚特兰大奥运会，位于石头山射箭和网球赛场的看台都采用临时看台，为恢复景区的面貌，比赛过后全部拆卸，同时该类建筑也应用在游泳、举重等赛事上[1]。

2国内研究状况

目前，国内外混凝土结构看台的安全性能研究较多，空间杆系结构强度分析和稳定性分析研究也较久远和成熟，但着眼于空间杆系结构临时看台进行的研究并不多，特别是人对该类结构的作用效应研究与抗侧刚度的研究相对较少。

3看台结构的人动态作用的研究

架体结构临时看台自重轻、阻尼小、结构抗侧刚度较低，导致结构的振动频率较低，而且作为观看活动场地的临时看台，上面的人具有人群密集、人流复杂、人群荷载多样的特点。当人群荷载频率与看台基频接近时，行走、跳跃等荷载激励作用下，会导致结构发生较强的振动，严重影响看台的安全性与服务性，适用性的下降会引起人们身体和心理上的困扰和不安。国内外关于看台结构的人动态作用的研究如下：

动力荷载系数可通过实验得到，根据实验结果，Willford[2]得出了单人跳跃或少数人跳跃时的动力荷载系数。早期的人群跳跃荷载试验研究主要在刚性平台上进行[3]，该研究受限制于平台和人群。随着研究的深入，人们发现平台的刚度是对跳跃荷载是一个非常重要的因素，因此柔性试验平台得到了发展；结合实测和蒙地卡罗模拟的方法也了发展完善起来；考虑个体跳跃高度差、跳跃频率以及相位差，Ellis和Ji[5]给出了人群跳跃荷载的研究成果。

4杆系结构临时看台抗侧刚度研究

刚度是结构的本质属性，结构刚度是结构抵抗外力作用自身变形的能力，而衡量结构刚度大小的外在标准是：外力作用下结构产生的位移大小，内在标准则包括结构材料自身各种模量与结构自身内在结构形式。结构刚度过小，就容易超过其正常使用极限状态，该结构便丧失了它的使用功能。临时看台一般为钢结构看台，而支撑的不合理布置将造成结构过柔，在人群荷载作用下容易失去自身的使用功能。刚度关系结构安全和观众生命财产安全，国内外关于杆系结构临时看台抗侧刚度研究如下：

由于结构概念设计的优点，Ji在教学和科研两个方面对架体结构概念及其应用进行了大量探讨，并给出了三种新的结构概念[6]，为设计出刚度更大的结构提供了一种新的思考方式。

Ivy等[7]通过有限元软件Ansys对一个临时钢结构看台进行静态和动态分析，并进行探讨其成本和安全，以达到最佳的设计。

黄乐平[8]从支撑抗侧效率的角度考虑，探讨了支撑对结构承载力和侧向刚度的影响，虽然支撑能有效加大结构侧向刚度，但会导致支撑抗侧效率降低，并减小第二道防线的地震作用，不利于承受地震作用。

刘伟[9]在其毕业论文中不但更加深入研究了斜杆的布置方式和数量对抗侧刚度的影响，而且通过现场调查研究常见的错误搭置方法，使结构抗侧刚度折减情况。

秦敬伟[10]对装配式临时看台节点的抗弯、抗拉和抗压承载力进行了多组试验，研究探讨节点的力学性能，得到了节点极限承载力、破坏模式及荷载-位移曲线，在此基础上给出了节点的简化计算模型，并通过对整体格构柱的有限元和加载试验分析，验证了节点简化模型的正确性。

卢林枫[11]在其毕业论文中对错列桁架进行介绍，并进行其二阶效用的分析研究。

本课题的研究将探讨架体结构临时看台抗侧刚度效率和叙述该结构体系的概念设计方法。

5研究意义

人群导致结构振动问题越来越受工程界的关注，结构人群效应已体现在国外诸多设计规范。当前国内外关于架体结构临时看台研究基本都围绕着结构稳定性和强度开展，我国关于人致振动对该类结构安全性与服务性的影响及有效解决方法的研究几乎空白。相比迅猛发展的临时看台需要，我国对该类结构规范还存在不足。本文将对其进行动力与刚度方面的研究，研究的意义如下：

（1）为考虑结构在人动态作用下结构的动力设计提供理论参考。本文对有关人体动态下引起结构振动进行研究，结合理论与实验响应得出人体动态水平荷载表达式：建立作用在结构上的单人水平荷载模型，此研究可为以安全性和适用性为设计目标的建筑结构提供依据和参考。

（2）研究在人群水平荷载作用下结构的服务性，对人群观众荷载作用下看台的舒适度进行评价。在看台上的人的动作行为是相当复杂的，对结构有较大影响的动态行为也不易被确定，同时人群荷载作用下的看台结构因为人群密度与动态运动的多样性和难以预测性，显得较难对其进行准确的设计。不同临时看台结构动力特性各异，人群荷载与结构相互作用的研究有着一系列重要难题。本文对临时看台个例进行基本的动力特性分析，基于单人水平荷载模型，结合简化假设方法模拟人群水平荷载，对临时看台个例在水平动力荷载作用下的情况进行响应分析及相关舒适度进行分析。

（3）总结提出一种简单有效地提高临时看台结构抗侧刚度的方法。本课题针对不同架体的布置进行研究，通过大量布置试验，来验证和概括总结出提高杆系结构临时架体提高抗侧刚度概念性设计准则，使其传力路径更加合理，提高结构有效性，最终提高临时看台的抗侧刚度效用与经济效益。故本研究课题可以直接减少带支撑的杆系结构临时看台的直接费用，同时能为工程师们提供简单方便的在杆系结构刚度方面的辨识方法，从而更好的优化结构刚度，有效避免在使用中可能出现的刚度问题所导致的损失。

参考文献

[1]魏宇涵.临建体育设施设计研究[D];哈尔滨工业大学,2008.

[2]WilfordM.Aninvestigationintocrowd-inducedverticaldynamicloadsusingavailablemeasurements[J].StructuralEngineer,2001,79(12):21-5.

[3]Park,JaiWoo,Choi,SungMo.StructuralbehaviorofCFRPstrengthenedconcrete-filledsteeltubescolumnsunderaxialcompressionloads[J].SteelandCompositeStructures,2013,14(5):453-472.

[4]GroupIDDJW.Dynamicperformancerequirementsforpermanentgrandstands:recommendationsformanagementdesignandassessment[J].InstitutionofStructuralEngineers,London,2008.

[5]EllisB,JiT.Loadsgeneratedbyjumpingcrowds:numericalmodelling[J].StructuralEngineer,2004,82(17):35-40.[7]王志滨，谢恩普，等.CFRP方钢管混凝土压弯构件的滞回性能研究.长安大学学报（自然科学版），2014（6）：91-99.

[6]JiT,BellA.Seeingandtouchingstructuralconcepts[M].CRCPress,2008.[9]顾威，王庆利，赵颖华.圆CFRP钢复合管混凝土轴压短柱试验研究[J].沈阳建筑大学学报,2004，20(2):16-18.

[7]MarinhoIJP,VazlE,PimentelRL.OptimizationOfTemporarySteelGrandstandsBasedOnStaticDynamicBehavior[J].

[8]黄乐平.钢结构框架支撑构件抗侧移效率的探讨[J].山西建筑,2005,15):56-7.

[9]刘伟.装配式临时架体的抗侧刚度及承载力分析[D];北京交通大学,2009.

[10]秦敬伟,杨庆山,刘伟.装配式临时看台支承结构节点刚度研究[J].建筑结构,2011,06):51-4.

[11]卢林枫.钢结构错列桁架体系结构分析与设计方法[D];西安建筑科技大学,2003.