楊 孟, 丁 浩, 廖嘉雯, 李 科, 陳建忠

(1.招商局重慶交通科研設(shè)計院有限公司, 重慶 400067; 2.公路隧道國家工程研究中心, 重慶 400067)

水中懸浮隧道是一種跨越長大水域的新型交通構(gòu)筑物,相較傳統(tǒng)跨海交通結(jié)構(gòu),懸浮隧道具有受海底地質(zhì)影響、自然災(zāi)害影響較小以及造價低等特點,已成為未來重要的跨海交通結(jié)構(gòu)[1]。懸浮隧道作為柔性、長線型的交通結(jié)構(gòu)體,在水中受到波流耦合的影響容易產(chǎn)生振動,其振動效果對司乘人員的適應(yīng)性有較大影響[2-4]。目前懸浮隧道參考海上平臺、浮橋以及人行橋等結(jié)構(gòu)振動抑制方法,開展了相關(guān)抑振方法、措施的研究,但因懸浮隧道與其他平臺結(jié)構(gòu)形式、波流環(huán)境、振動模式等參數(shù)不同,目前水中懸浮隧道抑振方式與效果對司乘人員適應(yīng)性卻沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)及描述。因此,如何確定懸浮隧道抑振措施、指標(biāo)及其限值,才能保障司乘人員的適應(yīng)性,這是目前懸浮隧道設(shè)計中亟待解決的問題。

目前國內(nèi)外相關(guān)規(guī)范和專家學(xué)者對結(jié)構(gòu)振動下人體適應(yīng)性評價開展了諸多研究。美國AISC標(biāo)準(zhǔn)中根據(jù)不同振幅與頻率大小對人體振動感知進(jìn)行了劃分;ISO2631—1:1997標(biāo)準(zhǔn)[5]中提到人體承受的全身振動的評價,研究振動的主要頻率在0.5 Hz～80 Hz以上,并根據(jù)人體接受加速度制定了接受限值。我國后續(xù)的機械、橋梁、道路等相關(guān)振動標(biāo)準(zhǔn)基本上參考ISO標(biāo)準(zhǔn)制定。由于不同交通環(huán)境的振動特性不同,且均為周圍環(huán)境與抑振措施共同作用的結(jié)果,各學(xué)者開展了不同領(lǐng)域的研究。胡啟國等[6]為了研究振動對乘坐舒適性的影響,建立了路面-車輛-座椅自由度動力學(xué)模型,通過主動控制振動,可有效抑制共振峰值,提高乘坐舒適性;張杰等[7]利用有限元法和動力平衡原理,建立了13個自由度的大型客車人體三維模型,分析了人-車-路耦合振動下車輛和人體的動力響應(yīng),研究了俯仰與側(cè)傾加速度對人體適應(yīng)性影響;王鋒等[8]研究了不同摩擦系數(shù)、不同平整度、不同速度下的加速度與人體主觀感受之間的關(guān)系,分析了摩擦系數(shù)條件下的平整度、速度和加速度的關(guān)系,提出了滿足駕乘舒適性的條件下最大行車速度和路面平整度之間的關(guān)系;鄭木蓮等[9]根據(jù)車輛通過路橋過渡段時人體承受振動的特點,采用壓電式加速度傳感器測量車輛通過路橋過渡段時人體承受的豎向加速度,提出了新的人體舒適性評價方法;彭勇等[10]研究了心率變異性與高速列車乘員舒適度之間的關(guān)系,開展了高速列車乘員舒適度實車試驗,結(jié)合主觀舒適度問卷反饋結(jié)果,分析了駕乘人員的平均心跳間期、心跳間期標(biāo)準(zhǔn)差等特征在舒適度劣化時的變化情況;同時為了解不同人群對同種振動環(huán)境下振動的不同感受,部分研究者通過構(gòu)建標(biāo)準(zhǔn)人體仿真模型,分析了模型在不同振動條件下動力學(xué)響應(yīng),張鄂等[11]為高效評價振動環(huán)境下人-車系統(tǒng)的人體乘坐舒適性,運用ADAMS/View和LifeMOD軟件構(gòu)建了人-車系統(tǒng)生物力學(xué)仿真模型,開展了不同路面與不同車速的人體乘坐舒適性仿真研究;張繼奎等[12]通過振動臺模擬爆破振動開展了人體振動反應(yīng)試驗分析爆破振動參數(shù)、心電指標(biāo)以及人體主觀感受的量化關(guān)系,構(gòu)建了爆破振動影響下人體舒適度評價體系;朱前坤等[13]為克服時程分析耗時和占用巨大計算機資源的缺點,自建某鋼-玻璃簡支梁橋,提出一種基于AISC Design Guide快速評估人行橋人致振動舒適度的頻率響應(yīng)函數(shù)方法;杜陽陽等[14]從水平兩向振動的影響出發(fā),通過人體動力特性的振動臺試驗,分析了人體動力響應(yīng)并建立相應(yīng)的人體動力學(xué)模型,對人體振動舒適度評價問題進(jìn)行了研究;李著新等[15]通過仿真和試驗相結(jié)合的方法分析了船舶雙層底板架結(jié)構(gòu)的聲振響應(yīng),提出了郵輪振動噪聲舒適度評價標(biāo)準(zhǔn)在評價區(qū)域和評價指標(biāo)2個方面的相關(guān)建議。

綜上分析,現(xiàn)階段相關(guān)專家學(xué)者主要針對陸地、海上平臺、輪船等振動特性對人體適應(yīng)性影響進(jìn)行了研究,但對水中結(jié)構(gòu)物振動的研究較少。為此,本文通過分析振動狀況下人體適應(yīng)性評價標(biāo)準(zhǔn),綜合相關(guān)已有研究成果,提出懸浮隧道人體適應(yīng)性評價標(biāo)準(zhǔn),構(gòu)建懸浮隧道人體有限元仿真模型,分析不同振動特性下人體各部位動力學(xué)響應(yīng),并根據(jù)人體適應(yīng)性評價標(biāo)準(zhǔn)提取懸浮隧道抑振指標(biāo)限值,為懸浮隧道實體工程落地設(shè)計提供數(shù)據(jù)支撐。

1 振動特性人體適應(yīng)性標(biāo)準(zhǔn)研究綜述

早期主要通過模擬試驗或真實試驗對人體加速度和主觀感受獲取人體適應(yīng)性標(biāo)準(zhǔn),進(jìn)而獲取適應(yīng)性曲線,近年來逐漸增加了人體生理心理指標(biāo)的測量;適應(yīng)性判斷方法逐漸多元化,除了根據(jù)規(guī)范閾值進(jìn)行判斷,有部分學(xué)者結(jié)合試驗數(shù)據(jù)推導(dǎo)相應(yīng)的舒適度經(jīng)驗公式并得到廣泛應(yīng)用,還有學(xué)者結(jié)合煩惱率模型及模糊綜合評價方法獲取更真實全面的適應(yīng)性評價。另外,也有學(xué)者創(chuàng)新性地采用GUI電腦界面模仿振動環(huán)境研究人體振動感知能力的變化。

總結(jié)各領(lǐng)域人體適應(yīng)性評價標(biāo)準(zhǔn)研究成果與規(guī)范要求,發(fā)現(xiàn)不同領(lǐng)域適應(yīng)性評價的側(cè)重點不同,對應(yīng)領(lǐng)域振動適應(yīng)性指標(biāo)存在顯著區(qū)別。公路交通與橋梁以ISO 2631-1:1997標(biāo)準(zhǔn)為基礎(chǔ),采用豎向加速度對人體適應(yīng)性進(jìn)行分段評價;軌道交通因?qū)囕v運行過程中的平順性和穩(wěn)定性要求較高,適應(yīng)性評價指標(biāo)閾值主要集中在振動速度和計權(quán)加速度2方面;輪船比較大,更注重不同人群(乘客與工作人員)、不同區(qū)域的振動適應(yīng)性;飛機由于航程長短差異較大,會對振動持續(xù)時間較為關(guān)注;爆破振動重點考慮爆破振動次數(shù)、周圍區(qū)域的用地性質(zhì)、爆破的時間段等。不同領(lǐng)域的人體適應(yīng)性評價指標(biāo)限值也不同,大部分振動計權(quán)加速度的閾值主要集中0.1 m/s2～2 m/s2,而飛機、潛艇等設(shè)備在升降過程中設(shè)備本身會產(chǎn)生較大的短時振動,故不同工況下閾值范圍波動較大,飛機z軸方向為0.14 m/s2～28 m/s2,潛艇為1.67 m/s2～8 m/s2。

據(jù)此,由于懸浮隧道振動頻率受到波流影響較大,而實際波浪周期是動態(tài)變化的(通常為0.063 Hz～0.3 Hz),不同周期下人體對加速度的感知存在差異,為滿足實際設(shè)計需要,結(jié)合各領(lǐng)域現(xiàn)有規(guī)范及文獻(xiàn)研究成果對懸浮隧道的適應(yīng)性上限閾值展開討論并給出建議值。

1) 以水平加速度為評判指標(biāo)

人行橋在ISO給出了行人運動過程中滿足振動適應(yīng)性的臨界曲線,適用的頻率范圍為1 Hz～10 Hz,水平計權(quán)加速度限值為0.3 m/s2～0.7 m/s2,隨著頻率的增加而增大;浮橋在通常暴風(fēng)雪的工況下,允許的最大水平加速度為0.5 m/s2;海上結(jié)構(gòu)相關(guān)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)適用頻率為0.063 Hz～1 Hz,其水平振動判斷指標(biāo)為水平均方根加速度,見表1;此外半潛式海洋平臺在游覽情況下(0.01 Hz～0.28 Hz)的水平均方根加速度值為0.294 m/s2。根據(jù)上述分析可知,隨著結(jié)構(gòu)振動頻率的增加,人體可接受水平加速度限值逐漸減小,在0.01 Hz～0.3 Hz的情況下,當(dāng)水平加速度超過0.20 m/s2時,人體會產(chǎn)生不舒適的感覺。綜上相關(guān)結(jié)構(gòu)物適應(yīng)性研究,懸浮隧道在0 Hz～0.3 Hz范圍內(nèi),水平加速度取值約為0.2 m/s2。

2) 以豎向加速度為評判指標(biāo)

建筑物主要受豎向振動,樓蓋結(jié)構(gòu)自振頻率不宜低于4 Hz,其對應(yīng)豎向振動有效最大加速度限值為0.2 m/s2或0.5 m/s2(不同區(qū)域上限值不同);半潛式海洋平臺在游覽情況下的豎向均方根加速度值為0.196 m/s2;Masashi等對0.01 Hz～1 Hz頻率范圍內(nèi)人體振動適應(yīng)性進(jìn)行了研究,結(jié)果表明,加速度超過0.20 m/s2,人體將產(chǎn)生不舒適的感覺。另外,在0.1 Hz～0.5 Hz時容易導(dǎo)致運動病,現(xiàn)有大量研究表明,運動病與豎向振動存在直接關(guān)系,當(dāng)振動頻率固定時,豎向振動加速度越大,嘔吐率越高;當(dāng)振動頻率在0.083 Hz～0.2 Hz時,豎向計權(quán)振動加速度超過0.278 m/s2會發(fā)生嘔吐反應(yīng)。綜上,振動頻率在0 Hz～0.3 Hz范圍內(nèi),選取的豎向加速度值約為0.2 m/s2。

表1 水平振動均方根加速度限值

3) 以計權(quán)加速度為評判指標(biāo)

從計權(quán)加速度的角度給出人體適應(yīng)性評判標(biāo)準(zhǔn),ISO 2631-1:1997標(biāo)準(zhǔn)主要規(guī)定頻率范圍為0.5 Hz～80 Hz,當(dāng)計權(quán)加速度大于0.315 m/s2時,人體開始感覺到不舒適;船舶標(biāo)準(zhǔn)中在振動頻率為1 Hz～80 Hz下,振動特性對人體適應(yīng)性計權(quán)加速度限值為0.214 m/s2,相關(guān)研究并沒有對振動頻率0 Hz～0.5 Hz之間計權(quán)加速度進(jìn)行分析。綜合相關(guān)研究及規(guī)范可知,人體適應(yīng)性評價加速度主要集中在0.2 m/s2左右。

根據(jù)上述分析,初步得到懸浮隧道人體適應(yīng)性加速度限值為0.2 m/s2,懸浮隧道振動產(chǎn)生的加速度小于0.2 m/s2,該工況下人體沒有感覺;一旦加速度超過0.2 m/s2,則人體會產(chǎn)生不適感覺。

2 懸浮隧道立姿人體仿真試驗

2.1 懸浮隧道動力學(xué)仿真

由于目前世界上并未存在真正的懸浮隧道工程,采用Abaqus構(gòu)建懸浮隧道結(jié)構(gòu),設(shè)置水中不同參數(shù)中懸浮隧道動力學(xué)響應(yīng),其部分參數(shù)設(shè)置結(jié)果見表2,模擬結(jié)果如圖1所示。模擬正常工況(4 m波高)與極端工況(8 m波高)下懸浮隧道在未增加抑振措施時跨中段動力學(xué)響應(yīng),模擬結(jié)果見表3。

表2 懸浮隧道模型部分參數(shù)

圖1 懸浮隧道振動模擬結(jié)果

由表3可知,懸浮隧道在未增加任何抑振措施情況下豎向位移與加速度變化相對較小,而水平位移在正常工況下水平加速度已超過了0.2 m/s2,若不采取任何措施,人員在懸浮隧道會存在不適應(yīng)表現(xiàn);在極端工況下水平位移已達(dá)到了1.3 m,且其加速度接近于1 m/s2,其環(huán)境已不能適合人員工作或通行,甚至可能會對懸浮隧道的穩(wěn)定性產(chǎn)生影響。采用抑振措施可有效降低其加速度,但抑振指標(biāo)與限值都需進(jìn)一步研究。

表3 不同工況懸浮隧道振動仿真結(jié)果

2.2 立姿人體模型構(gòu)建

由于人群不同、承受能力不同、感受不同,導(dǎo)致采用人體現(xiàn)場試驗的方式對振動產(chǎn)生加速度的研究難以準(zhǔn)確判斷。隨著計算機技術(shù)的逐步發(fā)展,有限元法成為分析人體力學(xué)變化極為有用的工具,通過有限單元、節(jié)點、自由度等試驗條件控制,其模擬的條件更貼近實際,計算結(jié)果的可信度更高。本研究根據(jù)人體結(jié)構(gòu)特點,采用有限元模型構(gòu)建標(biāo)準(zhǔn)人體結(jié)構(gòu)模型,人體模型包括人體的皮膚、肌肉以及骨骼。模擬標(biāo)準(zhǔn)男性人體,年齡為25～29歲,人體身高171 cm,體重59.9 kg,構(gòu)建的人體模型如圖2所示。

2.3 立姿人體振動仿真

通過分析懸浮隧道在波流耦合作用下振動特性響應(yīng),提取其位移的時程曲線,并在仿真軟件中加載在人體有限元仿真模型中。以振動頻率0.1 Hz為例,最大振幅設(shè)置由0.01 m逐步增長到1 m,分析人體不同部位加速度的變化。人體在不同振動狀態(tài)下各部位加速度的值分別如圖3所示,其中仿真模型中人體顏色從淺到深分別表示人體所受加速度由小到大。

圖2 人體有限元仿真模型

(a) 振幅為0.01 m

(b) 振幅為0.42 m

(c) 振幅為0.78 m

由圖3可知,在懸浮隧道振動頻率一定的條件下,人體各部位加速度隨著振動振幅的增加而不斷增大;在人體表面與肌肉受到加速度變化相對于骨骼較小;圖3(b)中腹部骨骼的加速度明顯高于周圍其他骨骼位置;圖3(c)與圖3(d)中頸部骨骼的加速度明顯高于其他位置,表明在懸浮隧道振動條件下,人體頸部與腹部是最易感受到不適應(yīng)的部位。

同時,分析不同振動工況下人體仿真模型的加速度結(jié)果,以振動頻率為0.06 Hz為例,不同振幅下人體模型各部位加速度結(jié)果如圖4、圖5所示。從圖4可以看出,隨著振動振幅的增加,頸部與腹部骨骼受到的加速度均高于人體表面。由圖5統(tǒng)計結(jié)果可見,在振動條件下,人體腹部骨骼振動變化受加速度影響明顯,其均值與眾位數(shù)均高于人體表面與頸部骨骼。因此,通過人體不同部位在懸浮隧道振動條件下受到加速度結(jié)果,以腹部骨骼加速度作為人體不適應(yīng)性的極限標(biāo)準(zhǔn)。

圖4 不同振幅下人體模型各部位加速度

圖5 不同振幅下人體模型各部位加速度統(tǒng)計結(jié)果

3 抑振指標(biāo)限值

通過分析懸浮隧道對人體振動特性仿真結(jié)果的影響,明確影響懸浮隧道振動特性的指標(biāo)為振動頻率與幅值,同時分析上述仿真工況及人體各部位加速度結(jié)果,并結(jié)合振動特性人體適應(yīng)性標(biāo)準(zhǔn)加速度0.2 m/s2限值,對不同振動頻率與幅值產(chǎn)生的加速度進(jìn)行限制,構(gòu)建懸浮隧道跨中區(qū)域不同振動工況下人體模型腹部最大加速度結(jié)果,見表4。由表4可以看出,懸浮隧道隨著振幅與頻率的增加,人體模型腹部所受到的加速度值逐漸增大。

表4 不同振動工況下人體模型腹部最大加速度結(jié)果

目前懸浮隧道抑振主要通過控制振幅或頻率降低隧道的振動狀況,因此,在懸浮隧道設(shè)計及建設(shè)過程中,通過降低振幅或頻率以控制懸浮隧道對人體產(chǎn)生的加速度結(jié)果。當(dāng)懸浮隧道所處水域波流周期大于10 s時,即懸浮隧道頻率小于0.1 Hz,在保證人體適應(yīng)性的前提下,振動最大幅值不能超過0.48 m;懸浮隧道所處水域周期小于10 s時,即懸浮隧道頻率大于0.1 Hz,需對振動最大幅值進(jìn)行嚴(yán)格控制,必須將懸浮隧道最大振幅控制在0.3 m以內(nèi),才能保證人體對懸浮隧道振動沒有不適感覺。

4 結(jié)論

1) 通過分析不同領(lǐng)域人體適應(yīng)性相關(guān)研究與規(guī)范標(biāo)準(zhǔn),結(jié)合懸浮隧道振動特性,總結(jié)提出了以0.2 m/s2為限值的懸浮隧道人體適應(yīng)性標(biāo)準(zhǔn)。

2) 構(gòu)建人體有限元模型,研究懸浮隧道振動條件下人體各部位動力學(xué)響應(yīng)特征,并對比人體模型不同部位加速度,結(jié)果表明,人體腹部骨骼加速度明顯高于人體表面與其他部位。

3) 以腹部骨骼加速度作為人體適應(yīng)性的極限標(biāo)準(zhǔn),結(jié)合懸浮隧道人體適應(yīng)性標(biāo)準(zhǔn),提出懸浮隧道不同頻率下最大振幅限值,為后續(xù)懸浮隧道設(shè)計提供數(shù)據(jù)參考。