人群荷载作用下大跨度结构楼盖的检测与舒适度评估方法与流程

本申请涉及建筑结构中既有建筑楼盖诊治技术领域，尤其涉及大跨度结构楼盖受人群荷载作用时的检测和舒适度评价方法。

背景技术：

随着我国经济和社会的发展，大跨度空间结构的建设与应用逐渐增加，人们对建筑各方面的使用要求也越来越高。在使用过程中，大跨度空间结构楼盖的刚度较小，承受的人群荷载较多且随机性强，楼盖在人群荷载作用下将产生振动，影响人群的舒适度体验。随着大跨度结构使用年限的增加，在人群荷载的反复加载以及建筑物自身的钢筋锈蚀、混凝土徐变等因素的影响下，楼盖的服役状态与设计及投入使用时相比具有一定的差异性。因此，对大跨度空间结构楼盖进行检测与舒适度的评估，是保障楼盖正常使用状态的必要措施，为大跨度结构针对性的加固提供了指导依据，对既有大跨度结构楼盖的局部性能和结构的整体性能提升具有非常重要的意义。

现有工程中对结构振动的检测多偏向于评估结构的损伤状态，对于正常使用状态下的结构舒适度评估考虑的很少。结构振动的检测，工程上一般采用加速度传感器，通过加速度信号获取结构的振动信息。而加速度传感器的布设点限制较多且一般无法转移位置，传感器与采集仪系统间通常通过有线连接，现场操作影响范围较大，从而面临成本较高、时间较长等问题。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明提出了一种人群荷载作用下的大跨度楼盖动力检测与舒适度评估方法，建立了一种采用非接触式的位移检测方法进行的大跨度楼盖动力测试并在正常使用状态下评估楼盖舒适度的方法，并给出了针对性的大跨度楼盖加固建议。

为了完成本申请的发明目的，本申请采用以下技术方案：

本发明的一种人群荷载作用下大跨度结构楼盖的检测与舒适度评估方法，其中：通过非接触式的动力测试，在不干扰建筑正常运营的情况下，实现对既有楼盖的动力检测并获得舒适度评价指标，从而进行舒适度的评估，它包括以下步骤：

(a)、对楼盖进行单次激励下的自振特性检测

(a)、在非工作使用时间或清空楼盖上方的流动人群时进行本测试，选择待检测楼盖，在楼盖下方布置有若干个激光位移传感器，若干个位移传感器分别检测其正上方楼盖的若干个测点的位移量；

(b)、在楼盖跨中位置处，使用力锤敲击楼盖，若干个位移传感器在一秒内对相应测点的上下移动的位移量进行fs次采样，即fs为敲击采样频率，单次敲击测试时间为t，之后，重复敲击楼盖的测试，得到楼盖的各个测点的位移时程数据xij(t)，其中i表示测点编号，j表示力锤敲击次数编号，t为某一时间点；

(c)、将位移传感器输出的位移时程数据对时间进行二次差分，转换为测点的加速度时程数据

在公式1和公式2中，v表示速度，a表示加速度，δt为采样时间步长，δt与采样频率fs互为倒数；

(d)、将每个位移传感器每一次敲击楼盖的加速度时程数据通过公式(3)的傅里叶变换转为楼盖的振动加速度频谱，并以加速度的数值为纵坐标，以楼盖的振动频率为横坐标绘制出加速度与楼盖的振动频率f之间关系的频谱曲线图；

其中公式(3)中的fs为敲击采样频率，n为每一次敲击位移传感器的采样总次数，k＝1，2……n，δt为采样时间间隔，t为每一次敲击采样的总时长，l为复数符号。

(e)、在上述频谱图中，找到第一个加速度峰值所对应的频率f1，该f1为大跨度楼盖的一阶自振频率，将每个位移传感器在每一次敲击楼盖时所得到的一阶自振频率f1相加后除以测点的个数与力锤敲击次数的乘积，得到楼盖一阶自振平均频率f0即为楼盖的基频；

(b)、楼盖人群荷载激励下的加速度检测

(f)、根据大跨度楼盖正常使用时的统计情况，选择人群流动量较大的至少二个时间段进行大跨度楼盖的人群荷载激励动力测试，上述若干个位移传感器在一个人群测试的时长t内对相应测点上下移动的位移量进行每秒f’s次采样，即f’s为人群采样频率，在一个人群测试时长t’后，重复进行上述人群荷载激励动力测试，得到各个测点的楼盖的位移xiq(t’)，其中i表示测点编号，q表示人群测量次数编号，t’为某一时间点；

(g)、重复步骤(c)，将步骤(f)所得到的位移xiq(t’)数据对时间进行二次差分，得到加速度时程数据aiq(t’)，其中公式1和公式2中δt以δt’替代，t以t’替代，v表示速度，a表示加速度，δt’为人群采样时间间隔，δt’与人群采样频率f’s互为倒数；找出多次测试得到的各个测点中人群加速度时程中加速度峰值a^maxiq；

(c)、大跨度楼盖舒适度评估

(h)、根据《高层建筑混凝土结构设计技术规程》，标准楼盖的竖向振动频率不宜小于3hz，当楼盖所在的结构用途为住宅或办公时，竖向振动频率在不大于2hz时，峰值加速度不得大于0.07m/s²，竖向振动频率在2hz至4hz范围时，峰值加速度不得大于0.07-0.01(f0-2)m/s²，竖向振动频率在大于4hz时，峰值加速度不得大于0.05m/s²；当结构用途为商场或室内连廊时，竖向振动频率在不大于2hz时，峰值加速度不得大于0.22m/s²，竖向振动频率在2hz至4hz范围时，峰值加速度不得大于0.22-0.035(f0-2)m/s²，竖向振动频率在大于4hz时，峰值加速度不得大于0.15m/s²，其中f0为楼盖的基频，它是在2hz至4hz之间的某一数值；

(i)、根据步骤(h)的标准，将步骤(e)所得到的楼盖的基频与步骤(h)的标准楼盖的竖向振动频率相比，将步骤(g)得到的加速度峰值a^maxij与在住宅、办公、商场或室内连廊环境下，在不同竖向自振频率下所对应的峰值加速度进行比较，当步骤(e)得到的楼盖的基频和步骤(g)得到的加速度峰值a^maxij均在步骤(h)的标准范围内，则所测得的楼盖为舒适型楼盖；否则为不舒适型楼盖。

本发明的一种人群荷载作用下大跨度结构楼盖的检测与舒适度评估方法，其中：用力锤敲击楼盖所产生的振动位移至少为仅有环境振动时的楼盖位移的10倍时，认为力锤的敲击荷载满足测试需求。

本发明的一种人群荷载作用下大跨度结构楼盖的检测与舒适度评估方法，其中：所述位移传感器均匀地布置在楼盖的下方，该位移传感器为激光测距仪。

本发明的一种人群荷载作用下大跨度结构楼盖的检测与舒适度评估方法，其中：所述在楼盖跨中位置处是指楼盖的几何中心。

本发明的一种人群荷载作用下大跨度结构楼盖的检测与舒适度评估方法，其中：所述位移传感器为9个，它们沿着楼盖长度/和宽度方向上均匀布置，它们分别位于楼盖长度/和宽度方向的1/4、1/2和3/4处。

本发明的一种人群荷载作用下大跨度结构楼盖的检测与舒适度评估方法，其中：所述敲击采样频率fs为50-100hz，每次敲击的测试时间t为10s，力锤敲击次数不少于5次，每次仅敲击1下。

本发明的一种人群荷载作用下大跨度结构楼盖的检测与舒适度评估方法，其中：所述人群采样频率f’s为50-100hz。

本发明的一种人群荷载作用下大跨度结构楼盖的检测与舒适度评估方法，其中：所述一个人群测试时长t’指人群从流动量逐渐增大到最大值到逐渐减小的全过程所需要的时间，t’在2-10min的范围内，人群测量次数q不少于5次。

本发明的一种人群荷载作用下大跨度结构楼盖的检测与舒适度评估方法，其中：选择人群流动量较大的三个时间段进行大跨度楼盖的人群荷载激励动力测试。

本发明的人群荷载作用下大跨度结构楼盖的检测与舒适度评估方法实现在复杂的现场环境下，较为便捷的选择测点并布置传感器，分别对单次外荷载激励和正常使用状态人群荷载激励下的楼盖进行的动力测试，根据数据分析得到大跨度楼盖的自振特性以及人群荷载作用下楼盖的振动响应，确定了大跨度楼盖舒适度评价的频率和加速度具体数值，结合《高层建筑混凝土结构设计技术规程》给出的舒适度指标限值，对大跨度楼盖的舒适度进行评价，并给出相应的加固建议。

附图说明

图1为本发明的在人群荷载下对既有大跨度结构的楼盖舒适度的评估方法的流程图；

图2为楼盖振动测试的正向示意图；

图3为楼盖平面测点布置示意图；

图4为人群荷载激励下楼盖振动响应测试示意图；

图5为加速度与楼盖振动频率关系的频谱图。

在图2至图4中，标号1为楼盖；标号2为测距仪；标号3为测点；标号4为锤子；标号5为人群。

具体实施方式

如图1所示，本发明的人群荷载作用下大跨度结构楼盖的检测与舒适度评估方法，该方法通过非接触式的动力测试，在不干扰建筑正常运营的情况下，实现对既有楼盖的动力检测并获得舒适度评价指标，从而进行舒适度的评估，它包括以下步骤：

(a)、对楼盖进行单次激励下的自振特性检测

(a)、如图2和3所示，在非工作使用时间或清空楼盖上方的流动人群时进行本测试，选择待检测楼盖1，位移传感器2均匀地布置在楼盖1的下方，位移传感器2为9个，它们沿着楼盖1长度/和宽度方向上均匀布置，它们分别位于楼盖1长度/和宽度方向的1/4、1/2和3/4处，该位移传感器2为激光测距仪，若干个位移传感器2分别检测其正上方楼盖1的若干个测点3的位移量；

(b)、在楼盖1跨中位置处，该位置处是指楼盖1的几何中心，用力锤4敲击楼盖1，用力锤敲击楼盖1所产生的振动位移至少为仅有环境振动时的楼盖1位移的10倍时，认为力锤的敲击荷载满足测试需求，若干个位移传感器2在一秒内对相应测点3的上下移动的位移量进行fs次采样，即fs为敲击采样频率，单次敲击测试时间为t，敲击采样频率fs为50-100hz，每次敲击的测试时间t为10s，力锤敲击次数不少于5次，每次仅敲击1下。之后，重复力锤4敲击楼盖1的测试，得到楼盖1的各个测点的位移时程数据xij(t)，其中i表示测点编号，j表示力锤敲击次数编号，t为某一时间点；

(c)、将位移传感器2输出的位移时程数据对时间进行二次差分，转换为测点的加速度时程数据

在公式(1)和公式(2)中，v表示速度，a表示加速度，δt为采样时间步长，δt与采样频率fs互为倒数；

(d)、将每个位移传感器2每一次敲击楼盖1的加速度时程数据通过公式(3)的傅里叶变换转为楼盖1的振动加速度频谱，并以加速度的数值为纵坐标，以楼盖1的振动频率为横坐标绘制出加速度与楼盖1的振动频率f之间关系的频谱曲线图；

其中公式(3)中的fs为敲击采样频率，n为每一次敲击位移传感器2的采样总次数，k＝1，2……n，δt为采样时间间隔，t为每一次敲击采样的总时长，l为复数符号。

(e)、如图5所示，在上述频谱图中，找到第一个加速度峰值所对应的频率f1，即图5中的画圈处，该f1为大跨度楼盖的一阶自振频率，将每个位移传感器2在每一次敲击楼盖1时所得到的一阶自振频率f1相加后除以测点3的个数与力锤敲击次数的乘积，得到楼盖1一阶自振平均频率f0即为楼盖1的基频；

(b)、楼盖人群荷载激励下的加速度检测

(f)、如图4所示，根据大跨度楼盖1正常使用时的统计情况，选择人群流动量较大的三个时间段进行大跨度楼盖的人群荷载激励动力测试，上述若干个位移传感器2在一个人群测试的时长t’内对相应测点3上下移动的位移量进行每秒f’s次采样，即f’s为人群采样频率，一个人群测试时长t’指人群从流动量逐渐增大到最大值到逐渐减小的全过程所需要的时间，人群采样频率f’s为50-100hz，t’在2-10min的范围内，人群测量次数q不少于5次，在一个人群测试时长t’后，重复进行上述人群荷载激励动力测试，得到各个测点的楼盖1的位移xiq(t’)，其中i表示测点编号，q表示人群测量次数编号，t’为某一时间点；

(g)、重复步骤(c)，将步骤(f)所得到的位移xiq(t’)数据对时间进行二次差分，得到加速度时程数据aiq(t’)，其中公式1和公式2中δt以δt’替代，t以t’替代，v表示速度，a表示加速度，δt’为人群采样时间间隔，δt’与人群采样频率f’s互为倒数；找出多次测试得到的人群加速度时程中加速度峰值a^maxiq；

(c)、大跨度楼盖舒适度评估

(h)、根据《高层建筑混凝土结构设计技术规程》，标准楼盖的竖向振动频率不宜小于3hz，当楼盖所在的结构用途为住宅或办公时，竖向振动频率在不大于2hz时，峰值加速度不得大于0.07m/s²，竖向振动频率在2hz至4hz范围时，峰值加速度不得大于0.07-0.01(f0-2)m/s²，竖向振动频率在大于4hz时，峰值加速度不得大于0.05m/s²；当结构用途为商场或室内连廊时，竖向振动频率在不大于2hz时，峰值加速度不得大于0.22m/s²，竖向振动频率在2hz至4hz范围时，峰值加速度不得大于0.22-0.035(f0-2)m/s²，竖向振动频率在大于4hz时，峰值加速度不得大于0.15m/s²，其中f0为楼盖1的基频，它是在2hz至4hz之间的某一数值；

(i)、根据步骤(h)的标准，将步骤(e)所得到的楼盖1的基频与步骤(h)的标准楼盖的竖向振动频率相比，将步骤(g)得到的加速度峰值a^maxij与在住宅、办公、商场或室内连廊环境下，在不同竖向自振频率下所对应的峰值加速度进行比较，当步骤(e)得到的楼盖1的基频和步骤(g)得到的加速度峰值a^maxij均在步骤(h)的标准范围内，则所测得的楼盖1为舒适型楼盖；否则为不舒适型楼盖；

(d)、大跨度楼盖加固建议

根据步骤(i)中得出的舒适度评估结果，对不满足舒适度指标的楼盖进行相应的加固措施，如不满足频率指标，则可采取增加支撑、增加楼盖截面高度的方式，增加整个楼盖的整体刚度，从而调整楼盖频率。如不满足加速度指标，则可根据步骤(g)中得到的加速度数据，找出加速度超过界限值的测点，在测点对应位置楼盖处安装阻尼器消能减振系统，从而减小楼板振动，改善舒适度指标。

以上所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。