基于人行、设备、汽车荷载激励下高层工业厂房振动舒适度计算方法

1.本发明公开一种振动舒适度计算方法，特别是一种基于人行、设备、汽车荷载激励下高层工业厂房振动舒适度计算方法。


背景技术：

2.舒适度是指人们对客观环境从生理与心理方面所感受到的满意程度而进行的综合评价。
3.现有技术中在建筑领域，通常的人致荷载下的振动舒适度计算方法中，其振源荷载均为简谐荷载，计算模型为单自由度运动方程，最后通过简化得到楼板振动峰值加速度值，以此作为判断楼板振动舒适度的指标。现有技术的计算模型能够很好的解决人致荷载下楼板的振动舒适度问题，但随着“工业上楼”政策的落地，越来越多的高层工业厂房的出现，如：高新医药产业园区厂房(主要涉及设备振动)、新能源汽车园区厂房(主要涉及汽车振动)，因此，这些不同厂房存在的激励源与单一人致荷载激励有很大区别，现有的理论计算方法的适用存在局限性。由于在厂房正式投入使用前缺少实际使用中会出现的振动激励，无法进行原位试验等检测方法验证厂房舒适性；现有技术是对楼板构件的舒适度进行分析，而对整体结构的舒适度分析还处于空白。


技术实现要素：

4.针对上述提到的现有技术中的单一人致荷载激励下的振动舒适度计算方法难以满足多激励源荷载下对整体结构舒适的分析需求的缺点，本发明提供一种基于人行、设备、汽车荷载激励下高层工业厂房振动舒适度计算方法，其采取建立整体数值模型，可以更好的对结构整体的水平向和竖向的振动传递规律进行分析，从而为结构整体的水平向和竖向功能分区的划分提供参考，避免振动舒适度问题的产生。
5.本发明解决其技术问题采用的技术方案是：一种基于人行、设备、汽车荷载激励下高层工业厂房振动舒适度计算方法，该方法包括下述步骤：
6.步骤s1、建模：建立高层工业厂房整体结构有限元模型；
7.步骤s2、移动荷载的模拟：利用有限元模型来实现移动荷载的模拟，加载平面为xy平面，通过界定加载区域及速度，给出加载路径跟时间的关系式，并通过赋值压强来实现移动荷载；
8.步骤s3、人行荷载实地测试：前往实地进行人行荷载下高层工业厂房振动响应实地测试测量，得到测试楼板的振动加速度时程曲线；
9.步骤s4、有限元模型调整：根据步骤s3的测试结果，对高层工业厂房整体结构有限元模型的调整；
10.步骤s5、建立传递规律：通过调整后的有限元模型模拟建立人行、设备和汽车荷载三种激励下楼板的振动响应在同楼层不同位置以及不同楼层的传递规律；
11.步骤s6、舒适度评价：基于不同荷载作用下高层工业厂房的荷载传递规律，得出有限元模型模拟建立人行、设备和汽车荷载三种激励下楼板的振动响应在同楼层不同位置以及不同楼层舒适度评价。
12.本发明解决其技术问题采用的技术方案进一步还包括：
13.所述的步骤s1中，运用专业有限元分析软件abaqus建立高层工业厂房整体结构有限元模型。
14.所述的运用abaqus建立高层工业厂房整体结构有限元模型时，其中，钢管混凝土的建模，钢管采用“壳单元”，材性赋值选择“从底部到顶部”，混凝土采用“实体单元”，材性赋值选择“从中性轴到两端”，钢管和混凝土的接触设置为“硬接触”和“摩擦接触”，“罚”设置为0.4；钢梁与结构柱采用“线单元”中的“梁单元”；楼板和剪力墙采用“实体单元”；钢管混凝土中钢管与混凝土约束设置为“壳单元与实体单元”约束，其余涉及到接触的均设置为“绑定”约束；最底层边界条件为固结。
15.所述的步骤s2中，将楼板按照长方形短边跨中方式进行加载路径试验。
16.所述的步骤s3中，实地测量时振动测试传感器布置在整个楼板的中间，如果楼板为分区设置楼板，在每个部分分区取各自楼板的中间位置设置振动测试传感器。
17.所述的步骤s3中，实地测量时，测试路径为沿楼板横向跨中设置，实地测量的路径和运动参数与步骤s2中设置参数相同。
18.所述的步骤s4中，按照相同的行走路径，设置相同的荷载，选取相同的传感器位置提取楼板振动加速度，分析实测结果跟有限元模拟结果的差异，如果误差小于10％，则认为无误差；如果误差大于或等于10％则调整有限元模型的本构关系、接触设置、约束设置、材料属性和应力面关系，直至得到与实测结果相吻合的有限元数值模拟结果，则认为所建立的有限元模型具有可靠性。
19.本发明的有益效果是：本发明基于大量实测和数值仿真数据建立荷载模型，考虑了人致荷载、设备荷载及汽车荷载，囊括了高层工业厂房常见的几种荷载类型，具有更好的适用性；本发明采用实测结合数值模拟的方法，以较低成本较为准确的分析结构的振动舒适度；本发明还考虑了振动激励源的传递规律，从整体的角度为结构水平向和竖向的功能分区进行了划分；本发明建立了高层工业厂房的精细化模型，能够更加准确、合理地计算高层工业厂房的振动响应，从而全面的分析整体结构的振动舒适度。
20.本发明基于人致荷载、设备荷载、汽车荷载工况下，提出了高层工业厂房的振动舒适度计算方法，弥补如今高层工业厂房激励源仅为人致荷载这一单一工况的不足，将目前高层工业厂房应考虑的设备荷载、汽车荷载考虑进来，扩大了高层工业厂房振动舒适度计算方法的适用性；由于在厂房正式投入使用前不会产生实际使用过程中的振动激励，无法进行原位试验等检测方法验证厂房舒适性，采用本专利实测结合数值模拟的方法可以以较低成本较为准确的得出厂房结构的舒适性；采用本专利方法可以从结构整体分析舒适度情况，对结构水平向和竖向的功能分区进行更合理的规划；本专利方法所采用的模拟数值计算可以较为准确的得到高层工业厂房的振动舒适度指标，从而判断是否满足舒适度限值。
21.下面将结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明。
附图说明
22.图1为本发明实施例中有限元结构模型示意图；
23.图2为本发明实施例中编写的有限元模型移动荷载dload子程序代码示意图；
24.图3为本发明实施例中传感器布置区域示意图；
25.图4为本发明实施例中实测人行荷载下a区域楼板振动数据时程曲线图；
26.图5为本发明实施例中实测人行荷载下b区域楼板振动数据时程曲线图；
27.图6为本发明实施例中有限元模拟人行荷载下a区域楼板振动数据时程曲线图；
28.图7为本发明实施例中有限元模拟人行荷载下b区域楼板振动数据时程曲线图；
29.图8为本发明实施例中有限元模拟三种荷载下a区域楼板振动数据时程曲线图；
30.图9为本发明实施例中有限元模拟三种荷载下b区域楼板振动数据时程曲线图；
31.图10为本发明实施例中有限元模拟三种荷载下下一层a区域楼板振动数据时程曲线图；
32.图11为本发明实施例的流程示意图。
33.图12为本发明实施例中设置“荷载模块”程序运行截图。
34.图13为本发明实施例中设置幅值曲线选项程序运行截图。
35.图14为本发明实施例中设置幅值曲线参数程序运行截图。
具体实施方式
36.本实施例为本发明优选实施方式，其他凡其原理和基本结构与本实施例相同或近似的，均在本发明保护范围之内。
37.本发明目的在于提供一种适用于多种荷载激励(人行、设备、汽车荷载)作用下的高层工业厂房振动舒适度计算方法，其弥补了当前建筑振动舒适度分析对于设备荷载和汽车荷载激励的缺失，并且通过实测结合有限元模拟的方法，使得数值模拟结果更为准确，填补了当前领域内对于整体结构振动舒适度分析的空缺。
38.本发明为一种基于人行、设备、汽车荷载激励下高层工业厂房振动舒适度计算方法，包括以下步骤：
39.步骤s1、建模：建立高层工业厂房整体结构有限元模型，本实施例中，运用专业有限元分析软件abaqus建立高层工业厂房整体结构有限元模型。
40.有限元模型是进行有限元分析的计算模型，它为有限元计算提供所有必需的原始数据。建立有限元模型的过程称为有限元建模，它是整个有限元分析过程的关键，模型合理与否将直接影响计算结果的精度、计算时间的长短、存储容量的大小以及计算过程能否完成，它的任务是将实际问题或设计方案抽象为能为数值计算提供所有输入数据的有限元模型，该模型定量反映了分析对象的几何、材料、载荷、约束等各个方面的特性。
41.本实施例中，运用abaqus建立高层工业厂房整体结构有限元模型(见图1)时，其中，钢管混凝土的建模，钢管采用“壳单元”(材性赋值选择“从底部到顶部”)，混凝土采用“实体单元”(材性赋值选择“从中性轴到两端”)，钢管和混凝土的接触设置为“硬接触”和“摩擦接触”，(本实施例中，两种接触方式都有，“硬接触”指的是混凝土和钢管接触面垂直向的一种接触类型，“摩擦接触”指的是混凝土和钢管接触面切向的一种接触类型，两种接触都存在的，类似于：在地面拖行一个箱子，地面抵抗箱子重力就是硬接触，而地面与箱子
产生摩擦就是摩擦接触)，“罚”设置为0.4(本实施例中，“罚”为该软件中的特殊叫法，就是摩擦系数的意思，因为钢管和混凝土之间存在“摩擦接触”，摩擦系数的大小决定摩擦接触的程度，通常的钢管混凝土之间的“罚”值都是设置为0.4)；钢梁与结构柱采用“线单元”中的“梁单元”(由于本实施例中所采用的abaqus软件中构件的建模有三种单元形式：分别为实体单元、线单元(而线单元中又分为梁单元和桁架单元)、壳单元，这里只是说明各构件选用的建模单元，赋值是肯定有的，这里混凝土赋予了“密度”“弹性”“混凝土损伤塑性”三个材料性质，钢管赋予了“密度”“弹性”“塑性”三个材料性质，赋值按照常规的有限元模型赋值即可)；楼板和剪力墙采用“实体单元”(混凝土赋予了“密度”“弹性”“混凝土损伤塑性”三个材料性质，配置的钢筋赋予了“密度”“弹性”“塑性”三个材料性质，赋值按照常规的有限元模型赋值即可)；钢管混凝土中钢管与混凝土约束设置为“壳单元与实体单元”约束，其余涉及到接触的均设置为“绑定”约束；最底层边界条件为固结。
42.步骤s2、移动荷载的模拟：基于abaqus二次开发编写移动荷载子程序，本实施例中，基于abaqus的二次开发接口，运用visual studio编写dload子程序，来实现移动荷载的模拟，具体实施时，也可以采用其它方式实现。
43.本实施例中，基于abaqus二次开发接口，运用visual studio编写dload子程序，来实现移动荷载的模拟(见图2)时，其中的加载平面为xy平面，通过界定加载区域及速度，给出加载路径跟时间的关系式，并通过赋值压强来实现移动荷载。
44.本实施例中，以一段具体的移动荷载子程序为例进行说明，具体如下：
45.[0046][0047]
本实施例中，移动荷载子程序中：前5行代码为dload默认框架；
[0048]
第6行代码为给出x、y位置变量，v速度变量和s路程变量；
[0049]
第7行代码给出速度值，本实施例中给出的值为正常人走路的平均速度1.5m/s(数值之所以是1500而不是1.5的原因是根据abaqus建模所选用的单位制为mm)，具体实施时，也可以选用其他数值；
[0050]
第8行代码为路程＝速度乘以时间；
[0051]
第9、10行代码为x、y的值跟有限元模型之间的关联，具体关联为下方if循环；
[0052]
第11-20行代码为if循环，具体为先给定移动荷载加载区域，本实施例中为如果y坐标在400-500mm之间或者y坐标在900-1000mm(脚面宽度假设为100mm，所以400-500mm是一只脚，900-1000mm是另一只脚，此处只是设置出了两只脚在这两行行走)之间，x坐标在s至s-420之间(前述代码中提及了，
[0053]
v＝1500
[0054]
s＝v*time(2)
[0055]
v取1.5m/s2,t时间为代码中自变量)(本实施例中，人脚长度取42cm，具体实施时，也可选用其他正常符合人脚的长度)，压强为24kpa(此为正常人行走时对地面的压强，0.24是根据abaqus建模选用的单位制为mm及n所确定，具体实施时，也可以选用其他值)；如果x坐标或y坐标不在这个范围内，压强为0。
[0056]
本实施例中，将模拟楼板按照长方形(由于真实建筑物包括模拟建筑物你均不可能是严格的长方形，所以本发明中所谓的长方形是指近似于长方形的形状)短边跨中方式进行加载路径试验，即路径平行于长方形的长边设置，且设置在短边的中线位置处。
[0057]
步骤s3、人行荷载实地测试：人行荷载下高层工业厂房振动响应实地测试，前往实地进行测量，得到测试楼板的振动加速度时程曲线如图4、图5。
[0058]
本实施例中，前往实地进行测量，振动测试传感器布置见图3，振动测试传感器设置原则：布置在整个楼板的中间，这样挠度更大，理论上振动响应最大，如果楼板为分区设置，在每个部分分区取各自楼板的中间。
[0059]
本实施例中，在具体实例中，将楼板分为a、b两个区域板块中间(本实施例中，由于楼板为a、b两块构成，所以分区时，也是将楼板分为a、b两个区，目前的两个分区是两个部分楼板的中间，理论上挠度最大，振动响应最大，所以选这两个位置，而且选区：一是为了测试舒适度是否满足，也就是振动响应是否满足，因此是要选在最不利位置，也就是挠度最大处，从这个角度讲必须选这两个区；二是为了研究同层的传递规律，从这个角度讲可以选任意区，但是选哪个区域其实对传递规律的分析没有影响，因为是为了得出跟振动软件跟距离的关系)，测试路径为a、b两个区域沿板横向跨中行走(一块板有长边和短边，长边为纵向，短边为横向，跨中就是中间，横向跨中就是沿着短边中间行走)。
[0060]
本实施例中，通过行人实地进行测试，测试时，行人大约步行速度为1.5m/s。实地测试并记录的楼板振动加速度时程曲线见图4、图5。
[0061]
步骤s4、有限元模型调整：根据图4、图5测试结果为导向，对高层工业厂房整体结构有限元模型的调整。
[0062]
本实施例中，根据图4、图5测试结果为导向，按照相同的行走路径，设置相同的荷载，选取相同的传感器位置提取楼板振动加速度，分析实测结果跟有限元模拟结果的差异(本实施例中，分析实测和有限元模拟得到的峰值加速度，直接对比误差有多大)，如果误差小于10％，则认为无误差，如果误差大于或等于10％则调整有限元模型的本构关系、接触设置、约束设置、材料属性和应力面关系，上述调整可按照有限元模型常规的调整方式进行(如：每次调整1％等)，直至得到与实测结果相吻合的有限元数值模拟结果(调整是一系列很复杂的过程，比如输入软件的混凝土和钢管材料的应力应变关系(本构关系)会直接影响有限元模拟结果，梁板、梁柱之间等接触设置方法有很多，板梁(四边固结还是两边固结两边铰结等)、梁柱(固结还是铰结)之间的约束设置也有很多种等等，还比如组合楼板的刚度可能无法直接得到，只能通过理论计算将其与混凝土板的刚度换算，然后认为其与混凝土板等效，因为有限元模型跟现实结构不可能完全吻合，所以根据实测的结果，多次尝试调整使其与实测结果接近，即误差小于10％，这是模型调整的一般方法)，见图6、图7，通过多测实测与模拟的对比，认为所建立的有限元模型具有可靠性，(由于测试条件的限制(很难像理论分析那样具有完美的条件，一般有环境干扰或人为误差、机器误差等)，有限元模拟也不可能跟实际结果一模一样，因此两者之间的对比是允许误差存在的，当误差在10％以内，就认为有限元模型具有可靠性)模型所模拟出的结果具有定性意义。
[0063]
步骤s5、建立传递规律：通过上述调整后的有限元模型模拟建立人行、设备、汽车荷载三种激励下楼板的振动响应在同层及不同层的传递规律。
[0064]
本实施例中，通过有限元模型模拟人行、设备、汽车荷载三种激励下楼板的振动响
应传递规律时，人行与汽车荷载(步骤s2中的代码可以说是移动荷载的代码，所以是通用的，只需要根据具体情况，更改代码中的v(速度)、f(压强，由质量决定)，x、y的范围，上述实施例中给的是人脚的长宽，可以更改为车辆轮胎的长宽)的设置均可通过前述dload子程序，更改速度及轮胎长宽实现；设备振动的模拟通过设置荷载为“动荷载”，并给出振动幅值，根据不同机器的振动频率进行具体设置。
[0065]
下述实施例提供一种具体设置方式，本实施例中，在软件的“荷载模块”，设置为“集中力”，如下图12，cf3为z轴方向，-10指的是向下10kn的力，“amplitude”振幅通过设置周期性变化幅值曲线(periodic)，如下图13，具体设置见图14，“time span”就是看是从某个分析步开始，还是全部分析，本实施例中，中为全部分析，“circular frequency”为圆频率，下边两行是开始时间和初始振幅，设置为0，表格的a、b设置为5、0，不同机器可能设置不同)。
[0066]
图8为三种激励在a区作用下a区楼板振动加速度时程曲线，图9为三种激励在a区作用下b区楼板振动加速度时程曲线，图10为三种激励在a区作用下下一层a区楼板振动加速度时程曲线。图8与图9对比可以得出振动响应在同层的传递规律，与a、b区的距离及结构材料、型式有关；图8与图10对比可以振动响应在不同层的传递规律，与层高，楼盖结构材料与型式有关(对比加速度峰值，图8为本层振源在a区的a区楼板加速度时程曲线，峰值为39.35mm/s2，图9为本层振源在a区的b区楼板加速度时程曲线，峰值为6.91mm/s2，可以看出振动从a区传递到b区能量有损耗，可以通过多次模拟不同距离的楼板，得出振动随距离的变化的关系式，这个规律可以合理进行水平平面功能分区，比如办公室与生产操作区可以据此布置，保证生产操作区的振动传递到办公室已所剩无几；采用同样的方法研究上下层的振动衰减，可以得到上层的振动对下层各个部分的影响，得出振动随层高变化的关系式，也可用用于在竖直方向的功能分区设置，例如4层的振动传递到3层衰减剩下一半，传到1层已经所剩无几，那么认为1层可以全部设置为办公室；这两部分工作需要多次测试与有限元模拟对比，现在还没有完全验证完成，只是提出这个想法，并且认为是有可行性的。)
[0067]
步骤s6、舒适度评价：基于不同荷载作用下高层工业厂房的舒适度评价，本实施例中，基于已完善的有限元模型，模拟三种荷载作用下高层工业厂房整体振动情况，可以得出结构整体的舒适度是否满足规范要求以及结构整体水平向和竖向的功能分区建议，如：整个工业厂房何处适合安放机器设备、何处适合做办公区、何处适合做运输车过道等。
[0068]
本实施例中，根据上述所建立完善的有限元模型，可以在多种荷载的作用下，基于舒适度标准从多个角度模拟得出较为准确的评价，包括：
[0069]
(1)结构整体的水平向、竖向振动峰值加速度；
[0070]
(2)各楼层振动响应较大位置；
[0071]
(3)同层的振动传递响应规律；
[0072]
(4)不同层的振动响应传递规律；
[0073]
由(1)可以评价结构整体是否满足规范的舒适度标准；由(2)可以得出楼层的振动敏感位置，从而进行水平向功能分区划分或采取适当的止振措施；由(3)可以得出振动响应在同一层的折减规律，从而更好的在水平向进行功能分区；由(4)可以得出振动响应在相邻层的折减规律，从而更好的在竖向进行功能分区。
[0074]
本发明能够将汽车荷载、设备荷载考虑进来，扩大振动舒适度计算方法的适用性，
以对现有技术中激励源仅为人致荷载的单一性进行补充；采用实测结合数值模拟的方法以较低的成本较为准确的进行分析，具有经济性，可完美解决现有技术在厂房正式投入使用前缺少实际使用中会出现的振动激励，无法进行原位试验等检测方法验证厂房舒适性的问题；本发明采取建立整体数值模型，可以更好的对结构整体的水平向和竖向的振动传递规律进行分析，从而为结构整体的水平向和竖向功能分区的划分提供参考，避免振动舒适度问题的产生，填补对整体结构舒适的分析的空白。
[0075]
本发明基于大量实测和数值仿真数据建立荷载模型，考虑了人致荷载、设备荷载及汽车荷载，囊括了高层工业厂房常见的几种荷载类型，具有更好的适用性；本发明采用实测结合数值模拟的方法，以较低成本较为准确的分析结构的振动舒适度；本发明还考虑了振动激励源的传递规律，从整体的角度为结构水平向和竖向的功能分区进行了划分；本发明建立了高层工业厂房的精细化模型，能够更加准确、合理地计算高层工业厂房的振动响应，从而全面的分析整体结构的振动舒适度。
[0076]
本发明基于人致荷载、设备荷载、汽车荷载工况下，提出了高层工业厂房的振动舒适度计算方法，弥补如今高层工业厂房激励源仅为人致荷载这一单一工况的不足，将目前高层工业厂房应考虑的设备荷载、汽车荷载考虑进来，扩大了高层工业厂房振动舒适度计算方法的适用性；由于在厂房正式投入使用前不会产生实际使用过程中的振动激励，无法进行原位试验等检测方法验证厂房舒适性，采用本专利实测结合数值模拟的方法可以以较低成本较为准确的得出厂房结构的舒适性；采用本专利方法可以从结构整体分析舒适度情况，对结构水平向和竖向的功能分区进行更合理的规划；本专利方法所采用的模拟数值计算可以较为准确的得到高层工业厂房的振动舒适度指标，从而判断是否满足舒适度限值。