第40卷第9期建 筑 结 构2010年9月
青岛综合训练馆大跨度楼盖竖向振动舒适度研究
迟 春, 宋涛炜, 冯 远, 刘晓英, 陈 隽
1
1
1
1
2
(1中国建筑西南设计研究院有限公司, 成都610081; 2同济大学建筑工程系, 上海200092)
[摘要] 现行规范没有给出振动舒适度的具体评价标准及相应的设计参数。以青岛体育中心综合训练馆大跨度楼盖为背景, 提出以3. 3Hz 为下限控制频率作为方案选择依据。采用MIDAS Gen 对9种不同结构方案进行有限元分析, 结合其他评价标准, 选取大跨度预应力楼盖进行结构设计。为了确保满足舒适度要求, 对楼盖进行现场振动测试, 试验结果与理论计算基本符合。实践表明, 以频率作为振动舒适度设计的控制参数切实可行。[关键词] 大跨度楼盖; 竖向振动频率; 舒适度; 有限元分析; 综合比较; 动参数检测
Study on the vertical vibration comfort of large -span floor for Qingdao Training Center
11112
Chi Chun , Song Taowei , Feng Yuan , Liu Xiaoying , Chen Jun
(1China Southwest Architectural Design and Research Institute Co . , Ltd . , Chen gdu 610081, China ;
2Department of Structure Engineering , Tongji University , Shanghai 200092, China )
A bstract :The specific evaluation criteria of comfort and the corresponding design parameters are not specified in the current design codes . Based on the large -span floor of Qingdao Training Center , a lower limit control frequency of 3. 3Hz was proposed as the basis for program selection . Finite element anal y s is results of nine different structural schemes were compared . Combined with other
evaluation criteria , the large -span prestressed concrete floor was selected for structural design . To meet the req uirements of vibration comfort , the onsite test was carried out , and the testing result is bas icall y consistent with the theoretic analysis . It is proved that using the frequency as a control parameter for vibration comfort design is feasible .
Keywords :large -span floor ; vertical vibration frequency ; comfortable degree ; finite element anal y s is ; comprehensive comparison ; dynamic parameters detection
0 引言
大跨度楼盖结构由于跨度大、隔墙少, 使得其阻尼减小、柔性变大、基频变小。在机械振动和人活动的作用下很容易产生较为显著的竖向振动, 给使用者造成不安和心理恐慌, 给人们的工作、休息、身体健康带来很大影响。另外根据人体结构特点, 人体对于竖向振动的心理和生理反应远大于对水平振动的。楼盖结构, 特别是大跨度楼盖作为建筑物中传递人所感知振动的主要介质, 其竖向振动舒适度问题已经成为强度和挠度变形要求以外, 结构设计重要的控制因素之一。
对青岛综合训练馆工程中的大跨度楼盖, 按照甲方要求进行了竖向振动分析, 以满足使用舒适度要求。1 舒适度设计标准
到目前为止, 被人们较为广泛采用的舒适度控制标准主要是频率限值和加速度限值两种。
1. 1频率限值
如果楼板自振频率和人的活动频率较为接近, 则会给人带来不适的感觉。人的活动频率一般集中在1～3Hz , 工程实践表明, 只要楼板的自振频率大于3Hz , 人在上面活动就不会引起共振响应, 即可认为是舒适
[1]
的。《高层民用建筑钢结构技术规程》(JGJ99—98)
规定组合楼板的自振频率不得小于15Hz ; 在道路桥梁方面, 《城市人行天桥与人行地道技术规范》(CJJ69—
[2]
95) 中规定:“为避免共振, 减少行人不安全感, 天桥
上部结构竖向自振频率不应小于3Hz ”。韩国的《组合楼板设计标准》规定楼板的自振频率不得小于15Hz 。欧洲规范, 如Bachman 和Ammann (1987) 规定楼板自振频率不得小于9Hz ; 英国标准则要求对于一般的体育运动情况, 限定楼盖的振动频率下限值为3～3. 5Hz ; 而加拿大国家建筑法规(NBC ) 规定楼板的自振频率要大于5Hz [3]。1. 2加速度限值
加速度方法是当今世界上最为流行的振动评价方法之一。在实践中, 加速度指标有多种形式, 常见的有峰值加速度和均方根加速度。美国标准[4]要求针对办公及一般民房, 由于使用者活动所引起的楼盖竖向振动的最大加速度值不超过0. 05m s 2。国际标准化组织
[5](ISO ) 提出了基于均方根加速度和频率的振动限值,
如图1所示, 针对不同的条件使用不同的因子对均方根加速度标准曲线进行放大。当峰值加速度超过均方
作者简介:迟春, 高级工程师, Email :yuchch3322@sina . com 。
根加速度限值时, 认为舒适度是不满足要求的。2 工程概况
青岛综合训练馆由冰球场地、球类训练场地及综合配套用房组成, 为2层(局部3层) 建筑, 见图2。其中冰球场位于半地下室, 层高13. 6m 。冰球场的上层为球类训练场地, 球类训练场屋盖跨度为54. 8m , 层高15. 4m , 建筑物纵向柱距为8m 。文中所研究的大跨度楼盖即为球类训练场地。由于冰球场使用功能的限制, 要求整个冰球场内不能有柱, 其上层的球类训练场楼盖短向跨度达到42. 05m , 长向跨度达到72m
。
图4 5m 高单向倒三角梯形状桁架
图3 4m 高单向倒三角形鱼腹式桁架
图5 4m 高长方形管桁架
图1 基于舒适度的振动峰值加速度
图2 青岛综合训练馆建筑效果图
[6-8]
3 结构方案的比较选择
大跨度楼盖振动控制目前主要有控制楼盖频率和增加楼盖阻尼两种方式。该工程以频率为控制参数进行设计。方案比较阶段采用MIDAS GenV7. 1. 2分析程序, 对钢结构构件采用杆件单元, 对混凝土结构柱及梁采用梁单元, 楼板采用板单元进行模拟(各单元参数详见具体方案) , 楼面荷载有效质量取全部恒载及1 4活荷载(活荷载取值为4kN mm 2) 。根据英国标准和以往类似工程(四川农业大学体育馆大跨度楼层比赛场, 采用焊接工字钢梁-混凝土组合楼面, 梁的净跨为29. 4m , 梁高为1. 5m , 梁间距为2. 4m , 混凝土楼板厚80mm , 其竖向频率为3. 29Hz ) 经验, 该工程大跨度楼盖取竖向振动频率下限值3. 3Hz 作为方案选择依据。通过公式
2[K ]-ω[m ]
构体系(图6) , 周边支承, 支座间距8. 0m , 上铺120mm 厚C30混凝土板。根据网架高度、应力比控制采取4种方案进行设计, 其控制参数如表1所示。各方案中构件采用Q235B 钢制作, 焊接球形节点, 拉杆允许长细比取180, 压杆取150, 考虑±20℃的温度影响及弹性支座的影响
。
质=0可以看出, 刚度越大, 频率越高;
量越大, 频率越低。因此通过调整刚度及质量两方面来进行大跨度楼盖方案的分析与比较。
3. 1钢桁架-混凝土组合楼盖方案(1) 方案1:4m 高单向倒三角形鱼腹式桁架, Q235B 级钢制作, 桁架间距8m , 桁架榀与榀之间采用檩条连接, 檩条截面为H300×150×6×10, 檩条上铺120mm 厚C30混凝土板, 如图3所示。
(2) 方案2:5m 高单向倒三角梯形状桁架, 条件同方案1, 如图4所示。(3) 方案3:采用4m 高长方形管桁架, Q235B 级钢制作, 桁架间距为8m , 桁架榀与榀之间采用檩条连接, 檩条上铺140mm 厚C30混凝土板, 如图5所示。3. 2钢网架-混凝土组合楼盖
为增加楼盖的整体刚度,
采用双向受力的网架结
图6 钢网架(仅以4m 高示意)
钢网架-混凝土组合楼盖方案参数
方案方案4方案5方案6方案7
网架高度
m
4455
杆件应力
比控制值0. 800. 450. 800. 45
最大杆件
上弦杆 406×22 508×30 355×20 406×30
腹杆 305×16 305×22 305×16 245×10
表1
下弦杆 406×25 508×30 355×22 508×32
3. 3预应力梁板式楼盖
预应力梁板式楼盖计算模型如图7所示。方案8为0. 45m ×3m 截面的预应力混凝土连续梁, 梁间距为2. 7m , 混凝土强度等级为C45, 板厚为100mm ; 方案9为
0. 45m ×3. 5m 截面的预应力混凝土连续梁, 其余条件同方案8
。
4 楼盖有限元模态分析
为了保证楼盖竖向振动舒适度满足使用要求, 根
据结构设计的最终方案(图7) , 采用MIDAS Gen V7. 1. 2对所选楼盖进行了有限元分析。为了突出大跨度楼板的振动特性, 只选取与计算楼盖相关的构件进行建模, 但考虑到周围构件的影响, 模型中采取弹性支承的方式对边界条件进行了处理。楼面荷载有效质量取全部恒载及1 4活荷载(活荷载取值为4kN mm 2) 。模态分析得到的前两阶振型如图8所示, 第1阶振型是竖向一阶对称弯曲模态, 跨中振幅最大, 第2阶振型是竖向二阶反对称弯曲模态, 与理论分析的大跨度楼盖振型相一致。
图7 预应力梁方案
3. 4方案综合比较
三类结构方案的综合比较见表2, 3。通过对各种方案的综合比较及结合工程实际情况, 最终采用预应力钢筋混凝土梁板方案(方案8) 进行结构设计。
各种方案的分析参数指标
参数
钢桁架-混凝土
方案2
组合楼盖
方案3
方案4
钢网架-混凝土方案5组合楼盖方案6
方案7
预应力梁板式楼盖
方案8方案9方案1
图8 楼盖振型图
5 楼盖现场振动测试
由于有限元分析的局限性, 对楼盖的振动加速度
表2
模拟有较大难度, 只能通过模态分析得出结构相应的振动特性(频率、振型) , 且国内建造如此大跨度的预应力楼盖在体育建筑中尚属首次, 无实际工程可参考。为确保结构能够较好满足实际使用要求, 甲方特委托同济大学对结构进行了现场测试。测点布置见图9。5. 1频率测试
频率测试在脉动下进行, 总共测试2次, 分别为Case1(结构主体施工完成时) 、Case2(正常使用时) , 测试数据如图10所示, 测试结果如表4所示。Case1的实测结果均值为4. 52Hz , MIDAS 分析结果为4. 18Hz 。
脉动测试结构的竖向显著振型频率结果 Hz
测点Case1Case2
1#3#4#5#
6#7#
频率 Hz 用钢量 kg m 2楼盖自重 kN m 2
2. 39159. 94. 562. 783. 523. 033. 583. 964. 044. 184. 09
[***********]—
—
4. 725. 994. 575. 365. 285. 4214. 6216. 62
注:方案9梁体竖向刚度较大, 第1阶振型为非楼板竖向振动。
其他评价指标
结构形式
优点
缺点
自重轻、足够的刚度和
整体性、减少周边支承
钢结构-混凝土
及设备占用空间、设置
组合楼盖
马道使设备维修和更换方便、节约施工工期预应力梁板式楼盖
造价相对较低、良好的刚度和耐久性、维护费用较少
表
3
楼盖高度较大、造价较为昂贵、需定期进行维护、防火投资费用较大、冰场水雾造成钢结构锈蚀问题严重自重大、周边支承构件尺寸增大、影响建筑空间及视线、施工工艺复杂、工期较长
表4
8#9#10#11#均值
4. 494. 474. 494. 474. 594. 594. 594. 494. 494. 494. 524. 494. 494. 594. 494. 594. 594. 594. 494. 494. 494. 53
从2次测试结果可以看出, 木地板及其他装饰性装修对楼盖竖向振动频率影响较小, 设计中可按结构主体施工完成时段进行有限元模拟; 有限元模型计算所得动力特性与实际结构的动力特性有微小差别, 是
注:2#,12#为水平通道, 2#为长轴方向, 12#为短轴方向。
图9 木地板下的混凝土板面上测点布置
图10 脉动下测点加速度时程曲线示意
由于有限元模型计算中未考虑72m 长方向的梁、柱嵌
图11 测点加速度时程曲线示意
固作用。同时一些非结构构件、节点、面层、边界条件等不确定因素在设计分析中很难准确模拟, 使得计算频率偏小, 但已满足工程精度要求。5. 2振动加速度测试
振动加速度测试在楼盖主体结构面层上进行, 分别在脉动、单人行走、多人齐步走、多人跳跃、多人自由走工况下进行测试, 各测点振动曲线样本几乎相同, 图10, 11仅给出每种激励工况下各测点振动反应的大致形状; 测试结果数据较多, 表5只给出各种工况下测点1#,3#～11#中竖向振动加速度峰值。
脉动测试-结构的竖向显著振型频率结果 Hz
工况脉动
行走方向、跳跃位置
—短轴
长轴东北-西南东南-西北
多人齐步走多人跳跃
(5～10人无规律跳) 多人自由行走
短轴长轴1#,2#测点附近
—
其不能用一般办公、住宅楼的评价标准来考核, 文中采用ISO 2631—2[5]推荐的标准来评价楼盖的振动舒适度(图1) 。用于评价球类场地的均方根加速度可取0. 01g ×5=0. 05g =49c m s 2, 由表5可见, 该楼盖的振动加速度均满足振动舒适度要求。6 结论与展望
(1) 该工程大跨度楼盖理论计算和实测结果比较吻合(误差为7. 52%) , 满足振动舒适度标准, 而且经过两年的使用, 各方反映使用过程中人体舒适度良好。充分说明了设计中的计算模型和参数取值可行, 该方案较为合理, 以3. 3Hz 作为下限控制频率用于结构振动舒适度设计切实可行, 能为以后的工程设计方案的选择提供参考。
(2) 从现场测试数据可以看出人员行走是造成楼面振动的主要激励, 同时人也是楼面振动舒适性问题的直接影响者。因此研究人与楼盖结构的共同作用并
将其引入到设计概念中, 才是解决楼面振动舒适性问题的根本方法。
(3) 由于非结构构件、节点、面层、边界条件等不确定因素在设计分析中很难准确模拟, 因此要以频率下限作为控制因素, 就需要结构设计人员精细地进行有
(下转第108页)
表5
峰值加速度 cm s 20. 14(各点均值)
1. 60
2. 654. 1011. 504. 29. 528. 02. 9
单人行走
由于楼盖上为球类训练场地, 楼盖的特殊性决定
+活载作用下的屈曲模态。
(2) 采用ANSYS 有限元软件对最不利单根幕墙钢管混凝土柱进行屈曲分析, 忽略楼板的作用, 将水平抗风桁架等效为单根弹簧, 分别计算考虑弹簧约束和不考虑弹簧约束两种情况。图6为选取最不利单根柱在有弹簧约束下的前3阶屈曲模态
。
通过以上两种软件的分析可知, 在整体屈曲分析中最小屈曲因子为14. 4, 说明该方案安全可靠, 结构不会发生失稳破坏; 同时幕墙钢框架间隔设置的水平加强桁架不仅作为两个独立结构主体的有效水平连接, 而且改变了所支承幕墙钢管混凝土柱的屈曲模态, 提高了钢管混凝土柱的屈曲
图6 有弹簧约束柱的
屈曲模态
对混凝土构件的约束。
4. 2节点设计
根据《建筑抗震设计规范》[1]和《高层民用建筑钢结构技术规程》[6]的要求, 对主体结构梁、柱连接节点按中震组合内力值进行弹性设计及极限承载力验算。
为满足地下室建筑使用要求, 幕墙钢管混凝土柱在地下室顶板由一根转换大梁支承。该转换梁作为整个幕墙钢管混凝土柱的支承构件, 竖向荷载大, 单根钢管混凝土柱传递的轴力达8500kN , 安全性十分重要, 故采用型钢混凝土梁, 截面宽1100mm , 高2500mm , 内置两根平行工字钢, 截面为1900×200×30×50。幕墙钢管混凝土柱脚采用万向转动铰接球形支座, 该支座具有传力均匀, 各向转动性能一致等优点, 可有效释放上部结构产生的弯矩, 减小上部结构对转换梁的影响。5 结语
博瑞创意成都办公楼作为超出现行规范结构形式的复杂高层混合结构, 并无实际工程经验借鉴, 因此概念设计、结构基本体系布置对于保证结构的抗震性能显得尤为重要。虽然结构楼板大量缺失, 但主体结构平面简单、对称。布置在平面四角的壁式框架剪力墙使得整体结构质心与刚心非常接近, 满足规范的扭转规则性要求。同时针对混合结构特点通过采用不同计算程序的合理计算分析以及合理的构造措施, 最终取得了良好的抗震性能和较优的综合经济指标。
参
考
文
献
[1]GB50011—2001建筑抗震设计规范[S ]. 北京:中国建筑工业出版
社, 2001.
[2]《钢结构设计手册》编辑委员会. 钢结构设计手册[M ]. 3版. 北
京:中国建筑工业出版社, 2004. [3]黄亮, 陈小峰, 范荣荣. 某复杂高层混合结构屈曲分析[J ]. 四川
建筑科学研究, 2010, 36(3) :28-31.
[4]J GJ3—2002高层建筑混凝土结构技术规程[S ]. 北京:中国建筑
工业出版社, 2002. [5]徐培福. 复杂高层建筑结构设计[M ]. 北京:中国建筑工业出版
社, 2005.
[6]J GJ99—98高层民用建筑钢结构技术规程[S ]. 北京:中国建筑工
业出版社, 1998. 工业出版社, 1998.
[2]CJJ69—95城市人行天桥与人行地道技术规范[S ]. 北京:中国建
筑工业出版社, 1995. [3]何文汇, 马智刚. 组合楼板自振频率的计算与试验研究[J ]. 工
程设计, 2005, 20(3) :57-73. [4]Floor vi brations due to human activity (Steel des ign guide s eries 11) [S ].
American Institute of Steel Cons truction , Canadian Institute of Steel Construction , 1997. [5]ISO2631—2Evaluation of human expos ure to whol e body vibration —
Part 2:human exposure t o continuous and shock -induced vibrations in buildings (1to 80Hz ) [S ]. International Standard Organization , 1989. [6]J GJ7—91网架结构设计与施工规程[S ]. 北京:中国建筑工业出
版社, 1991.
[7]GB50017—2003钢结构设计规范[S ]. 北京:中国计划出版社,
2003.
[8]GB50010—2002混凝土结构设计规范[S ]. 北京:中国建筑工业出
版社, 2002.
荷载, 增强了钢管混凝土柱的平面外稳定。水平加强桁架上、下弦杆截面为500×500×35×35, 竖腹杆截面为500×300×12×12, 斜腹杆截面为300×300×10×10。4 抗震措施与节点设计4. 1抗震措施
(1) 作为超限复杂高层钢-混凝土混合结构, 抗震等级取一级。
(2) 中庭连接楼板(空中花园) 以及楼电梯间洞口附近楼板, 采用双层双向配筋, 提高楼板配筋率, 并在楼板洞口角部集中配置斜向钢筋。
(3) 严格控制主体范围内剪力墙、框架柱轴压比, 保证竖向构件的延性, 在中震弹性条件下, 钢管混凝土框架柱最大轴压比为0. 62; 剪力墙最大轴压比为0. 43, 最大剪压比为0. 049, 最大剪应力为0. 6f tk 。
(4) 在剪力墙核心筒四角、主体平面四角壁式框架剪力墙端部以及与钢框架梁连接处设置型钢暗柱, 并在每层楼板标高处沿核心筒外墙设置型钢暗梁, 加强(上接第72页)
限元模拟, 以使模型尽可能符合实际。
(4) 如何解决大跨度楼盖振动舒适度与经济性之间的难题, 需要结构设计人员提出越来越多优秀的方案, 以使得大跨度楼盖得以推广应用。
(5) 振动舒适度越来越受人们关注, 如何给出其评价标准, 如何将标准具体到结构设计对应的参数中去, 作为设计人员进行结构设计的依据, 是今后需解决的难题。
参
考
文
献
[1]J GJ99—98高层民用建筑钢结构技术规程[S ]. 北京:中国建筑
第40卷第9期建 筑 结 构2010年9月
青岛综合训练馆大跨度楼盖竖向振动舒适度研究
迟 春, 宋涛炜, 冯 远, 刘晓英, 陈 隽
1
1
1
1
2
(1中国建筑西南设计研究院有限公司, 成都610081; 2同济大学建筑工程系, 上海200092)
[摘要] 现行规范没有给出振动舒适度的具体评价标准及相应的设计参数。以青岛体育中心综合训练馆大跨度楼盖为背景, 提出以3. 3Hz 为下限控制频率作为方案选择依据。采用MIDAS Gen 对9种不同结构方案进行有限元分析, 结合其他评价标准, 选取大跨度预应力楼盖进行结构设计。为了确保满足舒适度要求, 对楼盖进行现场振动测试, 试验结果与理论计算基本符合。实践表明, 以频率作为振动舒适度设计的控制参数切实可行。[关键词] 大跨度楼盖; 竖向振动频率; 舒适度; 有限元分析; 综合比较; 动参数检测
Study on the vertical vibration comfort of large -span floor for Qingdao Training Center
11112
Chi Chun , Song Taowei , Feng Yuan , Liu Xiaoying , Chen Jun
(1China Southwest Architectural Design and Research Institute Co . , Ltd . , Chen gdu 610081, China ;
2Department of Structure Engineering , Tongji University , Shanghai 200092, China )
A bstract :The specific evaluation criteria of comfort and the corresponding design parameters are not specified in the current design codes . Based on the large -span floor of Qingdao Training Center , a lower limit control frequency of 3. 3Hz was proposed as the basis for program selection . Finite element anal y s is results of nine different structural schemes were compared . Combined with other
evaluation criteria , the large -span prestressed concrete floor was selected for structural design . To meet the req uirements of vibration comfort , the onsite test was carried out , and the testing result is bas icall y consistent with the theoretic analysis . It is proved that using the frequency as a control parameter for vibration comfort design is feasible .
Keywords :large -span floor ; vertical vibration frequency ; comfortable degree ; finite element anal y s is ; comprehensive comparison ; dynamic parameters detection
0 引言
大跨度楼盖结构由于跨度大、隔墙少, 使得其阻尼减小、柔性变大、基频变小。在机械振动和人活动的作用下很容易产生较为显著的竖向振动, 给使用者造成不安和心理恐慌, 给人们的工作、休息、身体健康带来很大影响。另外根据人体结构特点, 人体对于竖向振动的心理和生理反应远大于对水平振动的。楼盖结构, 特别是大跨度楼盖作为建筑物中传递人所感知振动的主要介质, 其竖向振动舒适度问题已经成为强度和挠度变形要求以外, 结构设计重要的控制因素之一。
对青岛综合训练馆工程中的大跨度楼盖, 按照甲方要求进行了竖向振动分析, 以满足使用舒适度要求。1 舒适度设计标准
到目前为止, 被人们较为广泛采用的舒适度控制标准主要是频率限值和加速度限值两种。
1. 1频率限值
如果楼板自振频率和人的活动频率较为接近, 则会给人带来不适的感觉。人的活动频率一般集中在1～3Hz , 工程实践表明, 只要楼板的自振频率大于3Hz , 人在上面活动就不会引起共振响应, 即可认为是舒适
[1]
的。《高层民用建筑钢结构技术规程》(JGJ99—98)
规定组合楼板的自振频率不得小于15Hz ; 在道路桥梁方面, 《城市人行天桥与人行地道技术规范》(CJJ69—
[2]
95) 中规定:“为避免共振, 减少行人不安全感, 天桥
上部结构竖向自振频率不应小于3Hz ”。韩国的《组合楼板设计标准》规定楼板的自振频率不得小于15Hz 。欧洲规范, 如Bachman 和Ammann (1987) 规定楼板自振频率不得小于9Hz ; 英国标准则要求对于一般的体育运动情况, 限定楼盖的振动频率下限值为3～3. 5Hz ; 而加拿大国家建筑法规(NBC ) 规定楼板的自振频率要大于5Hz [3]。1. 2加速度限值
加速度方法是当今世界上最为流行的振动评价方法之一。在实践中, 加速度指标有多种形式, 常见的有峰值加速度和均方根加速度。美国标准[4]要求针对办公及一般民房, 由于使用者活动所引起的楼盖竖向振动的最大加速度值不超过0. 05m s 2。国际标准化组织
[5](ISO ) 提出了基于均方根加速度和频率的振动限值,
如图1所示, 针对不同的条件使用不同的因子对均方根加速度标准曲线进行放大。当峰值加速度超过均方
作者简介:迟春, 高级工程师, Email :yuchch3322@sina . com 。
根加速度限值时, 认为舒适度是不满足要求的。2 工程概况
青岛综合训练馆由冰球场地、球类训练场地及综合配套用房组成, 为2层(局部3层) 建筑, 见图2。其中冰球场位于半地下室, 层高13. 6m 。冰球场的上层为球类训练场地, 球类训练场屋盖跨度为54. 8m , 层高15. 4m , 建筑物纵向柱距为8m 。文中所研究的大跨度楼盖即为球类训练场地。由于冰球场使用功能的限制, 要求整个冰球场内不能有柱, 其上层的球类训练场楼盖短向跨度达到42. 05m , 长向跨度达到72m
。
图4 5m 高单向倒三角梯形状桁架
图3 4m 高单向倒三角形鱼腹式桁架
图5 4m 高长方形管桁架
图1 基于舒适度的振动峰值加速度
图2 青岛综合训练馆建筑效果图
[6-8]
3 结构方案的比较选择
大跨度楼盖振动控制目前主要有控制楼盖频率和增加楼盖阻尼两种方式。该工程以频率为控制参数进行设计。方案比较阶段采用MIDAS GenV7. 1. 2分析程序, 对钢结构构件采用杆件单元, 对混凝土结构柱及梁采用梁单元, 楼板采用板单元进行模拟(各单元参数详见具体方案) , 楼面荷载有效质量取全部恒载及1 4活荷载(活荷载取值为4kN mm 2) 。根据英国标准和以往类似工程(四川农业大学体育馆大跨度楼层比赛场, 采用焊接工字钢梁-混凝土组合楼面, 梁的净跨为29. 4m , 梁高为1. 5m , 梁间距为2. 4m , 混凝土楼板厚80mm , 其竖向频率为3. 29Hz ) 经验, 该工程大跨度楼盖取竖向振动频率下限值3. 3Hz 作为方案选择依据。通过公式
2[K ]-ω[m ]
构体系(图6) , 周边支承, 支座间距8. 0m , 上铺120mm 厚C30混凝土板。根据网架高度、应力比控制采取4种方案进行设计, 其控制参数如表1所示。各方案中构件采用Q235B 钢制作, 焊接球形节点, 拉杆允许长细比取180, 压杆取150, 考虑±20℃的温度影响及弹性支座的影响
。
质=0可以看出, 刚度越大, 频率越高;
量越大, 频率越低。因此通过调整刚度及质量两方面来进行大跨度楼盖方案的分析与比较。
3. 1钢桁架-混凝土组合楼盖方案(1) 方案1:4m 高单向倒三角形鱼腹式桁架, Q235B 级钢制作, 桁架间距8m , 桁架榀与榀之间采用檩条连接, 檩条截面为H300×150×6×10, 檩条上铺120mm 厚C30混凝土板, 如图3所示。
(2) 方案2:5m 高单向倒三角梯形状桁架, 条件同方案1, 如图4所示。(3) 方案3:采用4m 高长方形管桁架, Q235B 级钢制作, 桁架间距为8m , 桁架榀与榀之间采用檩条连接, 檩条上铺140mm 厚C30混凝土板, 如图5所示。3. 2钢网架-混凝土组合楼盖
为增加楼盖的整体刚度,
采用双向受力的网架结
图6 钢网架(仅以4m 高示意)
钢网架-混凝土组合楼盖方案参数
方案方案4方案5方案6方案7
网架高度
m
4455
杆件应力
比控制值0. 800. 450. 800. 45
最大杆件
上弦杆 406×22 508×30 355×20 406×30
腹杆 305×16 305×22 305×16 245×10
表1
下弦杆 406×25 508×30 355×22 508×32
3. 3预应力梁板式楼盖
预应力梁板式楼盖计算模型如图7所示。方案8为0. 45m ×3m 截面的预应力混凝土连续梁, 梁间距为2. 7m , 混凝土强度等级为C45, 板厚为100mm ; 方案9为
0. 45m ×3. 5m 截面的预应力混凝土连续梁, 其余条件同方案8
。
4 楼盖有限元模态分析
为了保证楼盖竖向振动舒适度满足使用要求, 根
据结构设计的最终方案(图7) , 采用MIDAS Gen V7. 1. 2对所选楼盖进行了有限元分析。为了突出大跨度楼板的振动特性, 只选取与计算楼盖相关的构件进行建模, 但考虑到周围构件的影响, 模型中采取弹性支承的方式对边界条件进行了处理。楼面荷载有效质量取全部恒载及1 4活荷载(活荷载取值为4kN mm 2) 。模态分析得到的前两阶振型如图8所示, 第1阶振型是竖向一阶对称弯曲模态, 跨中振幅最大, 第2阶振型是竖向二阶反对称弯曲模态, 与理论分析的大跨度楼盖振型相一致。
图7 预应力梁方案
3. 4方案综合比较
三类结构方案的综合比较见表2, 3。通过对各种方案的综合比较及结合工程实际情况, 最终采用预应力钢筋混凝土梁板方案(方案8) 进行结构设计。
各种方案的分析参数指标
参数
钢桁架-混凝土
方案2
组合楼盖
方案3
方案4
钢网架-混凝土方案5组合楼盖方案6
方案7
预应力梁板式楼盖
方案8方案9方案1
图8 楼盖振型图
5 楼盖现场振动测试
由于有限元分析的局限性, 对楼盖的振动加速度
表2
模拟有较大难度, 只能通过模态分析得出结构相应的振动特性(频率、振型) , 且国内建造如此大跨度的预应力楼盖在体育建筑中尚属首次, 无实际工程可参考。为确保结构能够较好满足实际使用要求, 甲方特委托同济大学对结构进行了现场测试。测点布置见图9。5. 1频率测试
频率测试在脉动下进行, 总共测试2次, 分别为Case1(结构主体施工完成时) 、Case2(正常使用时) , 测试数据如图10所示, 测试结果如表4所示。Case1的实测结果均值为4. 52Hz , MIDAS 分析结果为4. 18Hz 。
脉动测试结构的竖向显著振型频率结果 Hz
测点Case1Case2
1#3#4#5#
6#7#
频率 Hz 用钢量 kg m 2楼盖自重 kN m 2
2. 39159. 94. 562. 783. 523. 033. 583. 964. 044. 184. 09
[***********]—
—
4. 725. 994. 575. 365. 285. 4214. 6216. 62
注:方案9梁体竖向刚度较大, 第1阶振型为非楼板竖向振动。
其他评价指标
结构形式
优点
缺点
自重轻、足够的刚度和
整体性、减少周边支承
钢结构-混凝土
及设备占用空间、设置
组合楼盖
马道使设备维修和更换方便、节约施工工期预应力梁板式楼盖
造价相对较低、良好的刚度和耐久性、维护费用较少
表
3
楼盖高度较大、造价较为昂贵、需定期进行维护、防火投资费用较大、冰场水雾造成钢结构锈蚀问题严重自重大、周边支承构件尺寸增大、影响建筑空间及视线、施工工艺复杂、工期较长
表4
8#9#10#11#均值
4. 494. 474. 494. 474. 594. 594. 594. 494. 494. 494. 524. 494. 494. 594. 494. 594. 594. 594. 494. 494. 494. 53
从2次测试结果可以看出, 木地板及其他装饰性装修对楼盖竖向振动频率影响较小, 设计中可按结构主体施工完成时段进行有限元模拟; 有限元模型计算所得动力特性与实际结构的动力特性有微小差别, 是
注:2#,12#为水平通道, 2#为长轴方向, 12#为短轴方向。
图9 木地板下的混凝土板面上测点布置
图10 脉动下测点加速度时程曲线示意
由于有限元模型计算中未考虑72m 长方向的梁、柱嵌
图11 测点加速度时程曲线示意
固作用。同时一些非结构构件、节点、面层、边界条件等不确定因素在设计分析中很难准确模拟, 使得计算频率偏小, 但已满足工程精度要求。5. 2振动加速度测试
振动加速度测试在楼盖主体结构面层上进行, 分别在脉动、单人行走、多人齐步走、多人跳跃、多人自由走工况下进行测试, 各测点振动曲线样本几乎相同, 图10, 11仅给出每种激励工况下各测点振动反应的大致形状; 测试结果数据较多, 表5只给出各种工况下测点1#,3#～11#中竖向振动加速度峰值。
脉动测试-结构的竖向显著振型频率结果 Hz
工况脉动
行走方向、跳跃位置
—短轴
长轴东北-西南东南-西北
多人齐步走多人跳跃
(5～10人无规律跳) 多人自由行走
短轴长轴1#,2#测点附近
—
其不能用一般办公、住宅楼的评价标准来考核, 文中采用ISO 2631—2[5]推荐的标准来评价楼盖的振动舒适度(图1) 。用于评价球类场地的均方根加速度可取0. 01g ×5=0. 05g =49c m s 2, 由表5可见, 该楼盖的振动加速度均满足振动舒适度要求。6 结论与展望
(1) 该工程大跨度楼盖理论计算和实测结果比较吻合(误差为7. 52%) , 满足振动舒适度标准, 而且经过两年的使用, 各方反映使用过程中人体舒适度良好。充分说明了设计中的计算模型和参数取值可行, 该方案较为合理, 以3. 3Hz 作为下限控制频率用于结构振动舒适度设计切实可行, 能为以后的工程设计方案的选择提供参考。
(2) 从现场测试数据可以看出人员行走是造成楼面振动的主要激励, 同时人也是楼面振动舒适性问题的直接影响者。因此研究人与楼盖结构的共同作用并
将其引入到设计概念中, 才是解决楼面振动舒适性问题的根本方法。
(3) 由于非结构构件、节点、面层、边界条件等不确定因素在设计分析中很难准确模拟, 因此要以频率下限作为控制因素, 就需要结构设计人员精细地进行有
(下转第108页)
表5
峰值加速度 cm s 20. 14(各点均值)
1. 60
2. 654. 1011. 504. 29. 528. 02. 9
单人行走
由于楼盖上为球类训练场地, 楼盖的特殊性决定
+活载作用下的屈曲模态。
(2) 采用ANSYS 有限元软件对最不利单根幕墙钢管混凝土柱进行屈曲分析, 忽略楼板的作用, 将水平抗风桁架等效为单根弹簧, 分别计算考虑弹簧约束和不考虑弹簧约束两种情况。图6为选取最不利单根柱在有弹簧约束下的前3阶屈曲模态
。
通过以上两种软件的分析可知, 在整体屈曲分析中最小屈曲因子为14. 4, 说明该方案安全可靠, 结构不会发生失稳破坏; 同时幕墙钢框架间隔设置的水平加强桁架不仅作为两个独立结构主体的有效水平连接, 而且改变了所支承幕墙钢管混凝土柱的屈曲模态, 提高了钢管混凝土柱的屈曲
图6 有弹簧约束柱的
屈曲模态
对混凝土构件的约束。
4. 2节点设计
根据《建筑抗震设计规范》[1]和《高层民用建筑钢结构技术规程》[6]的要求, 对主体结构梁、柱连接节点按中震组合内力值进行弹性设计及极限承载力验算。
为满足地下室建筑使用要求, 幕墙钢管混凝土柱在地下室顶板由一根转换大梁支承。该转换梁作为整个幕墙钢管混凝土柱的支承构件, 竖向荷载大, 单根钢管混凝土柱传递的轴力达8500kN , 安全性十分重要, 故采用型钢混凝土梁, 截面宽1100mm , 高2500mm , 内置两根平行工字钢, 截面为1900×200×30×50。幕墙钢管混凝土柱脚采用万向转动铰接球形支座, 该支座具有传力均匀, 各向转动性能一致等优点, 可有效释放上部结构产生的弯矩, 减小上部结构对转换梁的影响。5 结语
博瑞创意成都办公楼作为超出现行规范结构形式的复杂高层混合结构, 并无实际工程经验借鉴, 因此概念设计、结构基本体系布置对于保证结构的抗震性能显得尤为重要。虽然结构楼板大量缺失, 但主体结构平面简单、对称。布置在平面四角的壁式框架剪力墙使得整体结构质心与刚心非常接近, 满足规范的扭转规则性要求。同时针对混合结构特点通过采用不同计算程序的合理计算分析以及合理的构造措施, 最终取得了良好的抗震性能和较优的综合经济指标。
参
考
文
献
[1]GB50011—2001建筑抗震设计规范[S ]. 北京:中国建筑工业出版
社, 2001.
[2]《钢结构设计手册》编辑委员会. 钢结构设计手册[M ]. 3版. 北
京:中国建筑工业出版社, 2004. [3]黄亮, 陈小峰, 范荣荣. 某复杂高层混合结构屈曲分析[J ]. 四川
建筑科学研究, 2010, 36(3) :28-31.
[4]J GJ3—2002高层建筑混凝土结构技术规程[S ]. 北京:中国建筑
工业出版社, 2002. [5]徐培福. 复杂高层建筑结构设计[M ]. 北京:中国建筑工业出版
社, 2005.
[6]J GJ99—98高层民用建筑钢结构技术规程[S ]. 北京:中国建筑工
业出版社, 1998. 工业出版社, 1998.
[2]CJJ69—95城市人行天桥与人行地道技术规范[S ]. 北京:中国建
筑工业出版社, 1995. [3]何文汇, 马智刚. 组合楼板自振频率的计算与试验研究[J ]. 工
程设计, 2005, 20(3) :57-73. [4]Floor vi brations due to human activity (Steel des ign guide s eries 11) [S ].
American Institute of Steel Cons truction , Canadian Institute of Steel Construction , 1997. [5]ISO2631—2Evaluation of human expos ure to whol e body vibration —
Part 2:human exposure t o continuous and shock -induced vibrations in buildings (1to 80Hz ) [S ]. International Standard Organization , 1989. [6]J GJ7—91网架结构设计与施工规程[S ]. 北京:中国建筑工业出
版社, 1991.
[7]GB50017—2003钢结构设计规范[S ]. 北京:中国计划出版社,
2003.
[8]GB50010—2002混凝土结构设计规范[S ]. 北京:中国建筑工业出
版社, 2002.
荷载, 增强了钢管混凝土柱的平面外稳定。水平加强桁架上、下弦杆截面为500×500×35×35, 竖腹杆截面为500×300×12×12, 斜腹杆截面为300×300×10×10。4 抗震措施与节点设计4. 1抗震措施
(1) 作为超限复杂高层钢-混凝土混合结构, 抗震等级取一级。
(2) 中庭连接楼板(空中花园) 以及楼电梯间洞口附近楼板, 采用双层双向配筋, 提高楼板配筋率, 并在楼板洞口角部集中配置斜向钢筋。
(3) 严格控制主体范围内剪力墙、框架柱轴压比, 保证竖向构件的延性, 在中震弹性条件下, 钢管混凝土框架柱最大轴压比为0. 62; 剪力墙最大轴压比为0. 43, 最大剪压比为0. 049, 最大剪应力为0. 6f tk 。
(4) 在剪力墙核心筒四角、主体平面四角壁式框架剪力墙端部以及与钢框架梁连接处设置型钢暗柱, 并在每层楼板标高处沿核心筒外墙设置型钢暗梁, 加强(上接第72页)
限元模拟, 以使模型尽可能符合实际。
(4) 如何解决大跨度楼盖振动舒适度与经济性之间的难题, 需要结构设计人员提出越来越多优秀的方案, 以使得大跨度楼盖得以推广应用。
(5) 振动舒适度越来越受人们关注, 如何给出其评价标准, 如何将标准具体到结构设计对应的参数中去, 作为设计人员进行结构设计的依据, 是今后需解决的难题。
参
考
文
献
[1]J GJ99—98高层民用建筑钢结构技术规程[S ]. 北京:中国建筑