基于人體適應性的懸浮隧道抑振指標限值研究

楊 孟, 丁 浩, 廖嘉雯, 李 科, 陳建忠

(1.招商局重慶交通科研設計院有限公司, 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筑物,相較傳統跨海交通結構,懸浮隧道具有受海底地質影響、自然災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構[1]。懸浮隧道作為柔性、長線型的交通結構體,在水中受到波流耦合的影響容易產生振動,其振動效果對司乘人員的適應性有較大影響[2-4]。目前懸浮隧道參考海上平臺、浮橋以及人行橋等結構振動抑制方法,開展了相關抑振方法、措施的研究,但因懸浮隧道與其他平臺結構形式、波流環境、振動模式等參數不同,目前水中懸浮隧道抑振方式與效果對司乘人員適應性卻沒有統一的標準及描述。因此,如何確定懸浮隧道抑振措施、指標及其限值,才能保障司乘人員的適應性,這是目前懸浮隧道設計中亟待解決的問題。

目前國內外相關規范和專家學者對結構振動下人體適應性評價開展了諸多研究。美國AISC標準中根據不同振幅與頻率大小對人體振動感知進行了劃分;ISO2631—1:1997標準[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,并根據人體接受加速度制定了接受限值。我國后續的機械、橋梁、道路等相關振動標準基本上參考ISO標準制定。由于不同交通環境的振動特性不同,且均為周圍環境與抑振措施共同作用的結果,各學者開展了不同領域的研究。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,研究了俯仰與側傾加速度對人體適應性影響;王鋒等[8]研究了不同摩擦系數、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系,分析了摩擦系數條件下的平整度、速度和加速度的關系,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系;鄭木蓮等[9]根據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系,開展了高速列車乘員舒適度實車試驗,結合主觀舒適度問卷反饋結果,分析了駕乘人員的平均心跳間期、心跳間期標準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境下振動的不同感受,部分研究者通過構建標準人體仿真模型,分析了模型在不同振動條件下動力學響應,張鄂等[11]為高效評價振動環境下人-車系統的人體乘坐舒適性,運用ADAMS/View和LifeMOD軟件構建了人-車系統生物力學仿真模型,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試驗分析爆破振動參數、心電指標以及人體主觀感受的量化關系,構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函數方法;杜陽陽等[14]從水平兩向振動的影響出發,通過人體動力特性的振動臺試驗,分析了人體動力響應并建立相應的人體動力學模型,對人體振動舒適度評價問題進行了研究;李著新等[15]通過仿真和試驗相結合的方法分析了船舶雙層底板架結構的聲振響應,提出了郵輪振動噪聲舒適度評價標準在評價區域和評價指標2個方面的相關建議。

綜上分析,現階段相關專家學者主要針對陸地、海上平臺、輪船等振動特性對人體適應性影響進行了研究,但對水中結構物振動的研究較少。為此,本文通過分析振動狀況下人體適應性評價標準,綜合相關已有研究成果,提出懸浮隧道人體適應性評價標準,構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響應,并根據人體適應性評價標準提取懸浮隧道抑振指標限值,為懸浮隧道實體工程落地設計提供數據支撐。

1 振動特性人體適應性標準研究綜述

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性標準,進而獲取適應性曲線,近年來逐漸增加了人體生理心理指標的測量;適應性判斷方法逐漸多元化,除了根據規范閾值進行判斷,有部分學者結合試驗數據推導相應的舒適度經驗公式并得到廣泛應用,還有學者結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性評價。另外,也有學者創新性地采用GUI電腦界面模仿振動環境研究人體振動感知能力的變化。

總結各領域人體適應性評價標準研究成果與規范要求,發現不同領域適應性評價的側重點不同,對應領域振動適應性指標存在顯著區別。公路交通與橋梁以ISO 2631-1:1997標準為基礎,采用豎向加速度對人體適應性進行分段評價;軌道交通因對車輛運行過程中的平順性和穩定性要求較高,適應性評價指標閾值主要集中在振動速度和計權加速度2方面;輪船比較大,更注重不同人群(乘客與工作人員)、不同區域的振動適應性;飛機由于航程長短差異較大,會對振動持續時間較為關注;爆破振動重點考慮爆破振動次數、周圍區域的用地性質、爆破的時間段等。不同領域的人體適應性評價指標限值也不同,大部分振動計權加速度的閾值主要集中0.1 m/s2～2 m/s2,而飛機、潛艇等設備在升降過程中設備本身會產生較大的短時振動,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,為滿足實際設計需要,結合各領域現有規范及文獻研究成果對懸浮隧道的適應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

人行橋在ISO給出了行人運動過程中滿足振動適應性的臨界曲線,適用的頻率范圍為1 Hz～10 Hz,水平計權加速度限值為0.3 m/s2～0.7 m/s2,隨著頻率的增加而增大;浮橋在通常暴風雪的工況下,允許的最大水平加速度為0.5 m/s2;海上結構相關規范標準適用頻率為0.063 Hz～1 Hz,其水平振動判斷指標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。根據上述分析可知,隨著結構振動頻率的增加,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,當水平加速度超過0.20 m/s2時,人體會產生不舒適的感覺。綜上相關結構物適應性研究,懸浮隧道在0 Hz～0.3 Hz范圍內,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

建筑物主要受豎向振動,樓蓋結構自振頻率不宜低于4 Hz,其對應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頻率范圍內人體振動適應性進行了研究,結果表明,加速度超過0.20 m/s2,人體將產生不舒適的感覺。另外,在0.1 Hz～0.5 Hz時容易導致運動病,現有大量研究表明,運動病與豎向振動存在直接關系,當振動頻率固定時,豎向振動加速度越大,嘔吐率越高;當振動頻率在0.083 Hz～0.2 Hz時,豎向計權振動加速度超過0.278 m/s2會發生嘔吐反應。綜上,振動頻率在0 Hz～0.3 Hz范圍內,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) 以計權加速度為評判指標

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

根據上述分析,初步得到懸浮隧道人體適應性加速度限值為0.2 m/s2,懸浮隧道振動產生的加速度小于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構建懸浮隧道結構,設置水中不同參數中懸浮隧道動力學響應,其部分參數設置結果見表2,模擬結果如圖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響應,模擬結果見表3。

表2 懸浮隧道模型部分參數

圖1 懸浮隧道振動模擬結果

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表現;在極端工況下水平位移已達到了1.3 m,且其加速度接近于1 m/s2,其環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定性產生影響。采用抑振措施可有效降低其加速度,但抑振指標與限值都需進一步研究。

表3 不同工況懸浮隧道振動仿真結果

2.2 立姿人體模型構建

由于人群不同、承受能力不同、感受不同,導致采用人體現場試驗的方式對振動產生加速度的研究難以準確判斷。隨著計算機技術的逐步發展,有限元法成為分析人體力學變化極為有用的工具,通過有限單元、節點、自由度等試驗條件控制,其模擬的條件更貼近實際,計算結果的可信度更高。本研究根據人體結構特點,采用有限元模型構建標準人體結構模型,人體模型包括人體的皮膚、肌肉以及骨骼。模擬標準男性人體,年齡為25～29歲,人體身高171 cm,體重59.9 kg,構建的人體模型如圖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,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統計結果可見,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果,以腹部骨骼加速度作為人體不適應性的極限標準。

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計結果

3 抑振指標限值

通過分析懸浮隧道對人體振動特性仿真結果的影響,明確影響懸浮隧道振動特性的指標為振動頻率與幅值,同時分析上述仿真工況及人體各部位加速度結果,并結合振動特性人體適應性標準加速度0.2 m/s2限值,對不同振動頻率與幅值產生的加速度進行限制,構建懸浮隧道跨中區域不同振動工況下人體模型腹部最大加速度結果,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,在懸浮隧道設計及建設過程中,通過降低振幅或頻率以控制懸浮隧道對人體產生的加速度結果。當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行嚴格控制,必須將懸浮隧道最大振幅控制在0.3 m以內,才能保證人體對懸浮隧道振動沒有不適感覺。

4 結論

1) 通過分析不同領域人體適應性相關研究與規范標準,結合懸浮隧道振動特性,總結提出了以0.2 m/s2為限值的懸浮隧道人體適應性標準。

2) 構建人體有限元模型,研究懸浮隧道振動條件下人體各部位動力學響應特征,并對比人體模型不同部位加速度,結果表明,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性的極限標準,結合懸浮隧道人體適應性標準,提出懸浮隧道不同頻率下最大振幅限值,為后續懸浮隧道設計提供數據參考。