人致工程结构振动舒适度问题浅析

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　　使用者在完成步行、跳跃、奔跑、舞蹈、踏步、瞬时起立或坐下、原地上下运动以及拍手等动作时，对支撑结构所产生的动力作用统称为人致动力荷载，简称人致荷载 (human-induced loads)，由此引起的工程结构的振动称为人致结构振动 (human-induced structural vibrations)。人致结构振动一般影响结构的正常使用性能，严重时则可能威胁结构的安全性。

　　对于大跨度楼盖、人行桥、空中连廊、体育场(馆)开台、长悬臂结构、柔性楼梯等大跨工程结构，当人致结构振动的幅度超过一定的限值后，结构上的使用者会出现对振动有感、注意力下降等现象，严重时会有头晕、心慌、身体不适等不舒适感觉，甚至可能造成人群的恐慌而诱发公共安全事件，上述现象一般称为人致结构振动的舒适度问题。

　　对于拥有振动敏感设备的高科技厂房、医院以及精密试验室等场所，人致结构振动可能造成仪器的定位精度下降、生产效率降低、废品率增加或精密仪器无法正常工作等经济损失。此外，当人致结构振动的幅度过大时，也可能会造成结构局部构件破坏、地基或基础破坏，甚至结构的整体破坏等安全性问题。

　　人致结构振动问题在土木工程领域由来已久，部队起步行军过桥引起桥梁剧烈振动而破坏的例子大概是最广为人知的。近20年中，最典型的人行桥振动舒适度事故无疑是英国伦敦千禧桥事件。该桥位于伦敦泰晤士河上，在2000年5月开放的第一天，伴随着大量人流过桥，该桥产生了意料之外的大幅度侧向振动。此后的录像分析表明千禧桥南跨侧向位移达50mm，中跨侧向位移达70mm，千禧桥被迫于三天后关闭。该桥的设计师英国建筑届泰斗级人物诺曼·福斯特因此受到了民众和媒体的猛烈批评，不得不在电视上向全体英国民众公开道歉。工程师们又花费了近两年以及500万英镑的代价寻找振动原因，以及减轻振动的方法。

　　体育场馆方面，由于使用功能的要求，主要是受到跳跃、跑动以及Bounce等荷载的影响。

　　据上海建筑设计研究院的档案资料，早在1951年设计建造上海虹口体育场(现已拆除)时，设计人员就曾讨论过是否需要考虑观众的忽然起立、跺脚等欢庆动作对结构的影响，并最终采用在静力荷载上乘以放大系数的方式来处理。

　　1985年瑞典的Nya Ullevi体育场在举行音乐会时，看台上观众随音乐的节奏性跳跃运动引起体育场下软土地基的振动，在400米外都可感受到，造成体育场基础的严重损坏。然而，由于缺乏对于跳跃这类荷载特性的认识，一直未对建筑结构进行特别的处理，甚至到2009年媒体报道当地建筑专家给出的解决方案，仍然是要求观众“在体育比赛中停止跳动”。

　　1992年日本东京体育场演唱会期间，场馆周边监测到了有感振动，同时还发现观众行为、演出曲目和所测到的振动频率之间具有相关性。

　　2007年，国家游泳中心的临时看台钢结构设计中，专门考虑了人群欢庆动作引起的结构振动影响。

　　2014年1月，美式橄榄球队Seahawks的球迷在庆祝比赛胜利时的跳跃及跺脚等欢庆动作，引起结构和场地振动，附近的一个地震台站测到了相当于1-2级地震的地面振动。

　　2011年7月5日，韩国首尔的一座39层高楼突然 “摇摆”了十分钟左右，致使大楼中数百人在恐慌中逃离。专家实地调查后认为，当天该楼12层健身房内的健身者在集体完成一种称为“Taebo”的运动时，频率和大楼的基频接近产生了共振，造成了结构的振动。为证实此判断，研究者还原了当日的场景，让17名中年人随着音乐在楼内跳起健身操，大楼随之产生摇摆。

　　上述事例，一方面让我们对“人”的力量 (man power) 的内涵有了新的理解，另一方面也让我们对人致工程结构振动问题的现实性有了新的认识。

　　需要特别指出，以往由于缺乏对人致结构振动问题的认识和工程分析手段，已建建筑中发生振动舒适度问题后，往往被归结为管理等其他非结构因素的影响，特别是在体育场馆、商业中心和展览厅等公共建筑中，设计人员与业主出于各种原因不愿意公开报道此类建筑中的振动问题。因此，实际工程中所存在的人致结构振动问题要远远高于文献记录的数量。伴随着工程结构“更高、更长、更轻”的发展方向，以及工程设计的控制因素从承载力极限状态向正常使用极限状态转变的趋势，可以预见大跨工程结构中的人致振动问题会愈发普遍，需要学术界和工程界从“一种新型灾害”的角度重视这一问题。

　　来源：工程结构振动舒适度(ID：VibServiceability)
　　作者：JackCHEN