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新聞4
發(fā)布時間：2023-02-02
大跨度建筑鋼結(jié)構(gòu)組合樓蓋舒適度分析及優(yōu)化
一、概述
由于建筑使用功能方面的品質(zhì)提升優(yōu)化要求，大跨度樓蓋結(jié)構(gòu)優(yōu)化在目前工程中越來越多，除了關(guān)注承載力以及撓度等指標(biāo)之外，舒適度問題也逐漸成為結(jié)構(gòu)分析的一項主要優(yōu)化內(nèi)容。上篇文章主要介紹分析了混凝土樓蓋對人行走下舒適度問題；在實際工程中鋼結(jié)構(gòu)組合樓蓋工程也比較普遍，大跨度樓蓋通常情況下在高層及超高層框架核心筒組合結(jié)構(gòu)中以及連接兩棟建筑的室外廊橋中應(yīng)用較多，一般來說鋼結(jié)構(gòu)對人行振動響應(yīng)更加敏感。本文以框架核心筒結(jié)構(gòu)以及封閉式室外廊橋為兩個案例具體介紹下大跨度鋼結(jié)構(gòu)組合樓蓋舒適度問題。
二、舒適度評價指標(biāo)
對于辦公為主的樓蓋，根據(jù)《舒適度標(biāo)準(zhǔn)》峰值加速度控制限值為0.05m/s2 ，
對于封閉室外連廊峰值加速度限值為0.15m/s2；不封閉連廊為0.5m/s2
另外根據(jù)規(guī)范要求，對于辦公為主的樓蓋，舒適度驗算僅考慮單人行走激勵下的樓蓋響應(yīng)，但對于室外廊橋，則需要考慮人群行走引起的振動響應(yīng)問題。下面以兩個案例詳細分析一下人行激勵下組合樓蓋舒適度問題。
三、案例分析
（一）案例一
1、基本情況
某高層辦公樓，框架核心筒結(jié)構(gòu)，核心筒為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，外圍框柱為鋼管混凝土，梁為H型鋼，組合樓蓋；附加恒載2.0kn/㎡，考慮靈活布墻因素活載取3kn/㎡，由于使用功能要求，除邊梁外，梁高度限制在550mm以內(nèi)，樓板厚度120mm，選擇最不利點A點及B點，具體布置如下圖所示：
2、樓板不利點自振頻率
采用穩(wěn)態(tài)函數(shù)對樓板基頻進行捕捉，選擇跨度最大處可能的兩點A點和B點進行計算，根據(jù)計算結(jié)果，A點及B點自振頻率均為4.8Hｚ，均大于３Hｚ；
2、人行走激勵函數(shù)
根據(jù)《建筑樓蓋振動舒適度技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)JGJT 441-2019》，對于人行激勵為主的情況采用單人行走激勵函數(shù)進行時程分析，單人行走激勵荷載如下所示，
根據(jù)以上公式，通過編輯excel表格可得到各頻率下人行走函數(shù)如下：
4、時程分析
本次分析施加方式，采用單點輸入，將以上人行頻率函數(shù)導(dǎo)入sap2000有限元軟件中，對樓蓋的不利點位置施加固定激勵荷載函數(shù)，經(jīng)計算分析所得各步頻函數(shù)下樓板峰值加速度值如下：
小結(jié)：以上最不利樓蓋振動加速度為0.079m/s2，則0.079/2=0.04m/s2<0.05m/s2,豎向振動加速度接近限值，但也可以滿足規(guī)范要求；
（二）案例二
1、基本情況
某室外連廊，連接兩棟建筑，寬度8m，跨度20m，梁為H型鋼，組合樓蓋；樓板厚度120mm，附加恒載2.0kn/㎡，活載取3.5kn/㎡，具體布置如下圖所示：
2、自振頻率
該連廊平面布置相對簡單，很容易判斷最不利點為連廊中心點位置，由于樓板對鋼梁剛度貢獻較大，考慮樓板的組合作用，鋼梁剛度根據(jù)《鋼高規(guī)》相關(guān)要求，梁剛度放大1.5倍近似考慮，經(jīng)計算可知豎向自振頻率為2.8Hz。
3、人行走激勵函數(shù)
根據(jù)舒適度標(biāo)準(zhǔn)相關(guān)規(guī)定，室外連廊采用人群荷載激勵，這一點與室內(nèi)環(huán)境要求激勵模式有較大不同，另外人群荷載頻率比單人行走頻率范圍更寬，從某種意義上講，比單人行走模式更為不利，產(chǎn)生共振的可能性也更大。
2.8/1=2.8>2.5 取2.5Hz，對應(yīng)激勵函數(shù)如下：
第二階荷載頻率下樓蓋振動加速度如下：
小結(jié)：二階荷載激勵下豎向振動加速度不滿足規(guī)范要求；
（3）調(diào)整結(jié)構(gòu)剛度，梁高800mm調(diào)整為1100mm，經(jīng)計算豎向自振頻率為4.36Hz
經(jīng)計算第二階荷載頻率下樓蓋振動加速度如下：
小結(jié)：二階荷載激勵下豎向振動加速度滿足規(guī)范要求；
四、結(jié)論
根據(jù)以上有限元時程分析結(jié)果可知，
１、對于案例一，當(dāng)為室內(nèi)辦公情況，通常情況下，大跨度鋼結(jié)構(gòu)樓蓋，在單人行走激勵下樓蓋舒適度可滿足規(guī)范要求，但結(jié)果相比較與混凝土結(jié)構(gòu)更加不利些，尤其當(dāng)梁高受限梁剛度偏弱時也可能存在不滿足情況，故對于梁高受限梁跨高比比較大的情況需要進行豎向振動加速度驗算，當(dāng)不滿足時適當(dāng)調(diào)整梁的剛度往往可以較容易滿足。
２、對于室外連廊結(jié)構(gòu)，由于其跨度通常比較大，自振頻率往往較小，根據(jù)現(xiàn)有規(guī)范計算原則，人群激勵荷載二階頻率與樓蓋自振頻率產(chǎn)生共振概率極高，要避免二階激勵荷載共振現(xiàn)象，根據(jù)規(guī)范則結(jié)構(gòu)自振周期需要控制在不小于4.6Hz，此時不需要進行二階豎向荷載激勵下加速度驗算。
３、本案例二，二階荷載激勵下豎向峰值加速度達0.237m/s2，遠大于一階荷載引起的0.044m/s2，對于規(guī)范要求的封閉式連廊限值僅為0.15m/s2，超限較多，不能滿足要求。通過調(diào)整連廊剛度自振頻率增大至4.36Hz（大于4.2Hz）時，豎向振動加速度減小至0.105m/s2可滿足規(guī)范要求；故對于封閉式連廊最佳處理方式是增大梁剛度確保豎向自振頻率大于4.2Hz，當(dāng)有條件時盡可能調(diào)整到大于4.6Hz以避開二階荷載下共振情況，對于增加自重，因考慮到無法避免二階荷載下共振現(xiàn)象，效果往往不明顯；但對于開敞式連廊因為規(guī)范要求限值比較寬松，通常情況下也比較容易滿足，若豎向自振頻率小于4.6Hz，豎向峰值加速度超過規(guī)范限值不多時，除了增大梁剛度外，增加自重也是一種改善舒適度的方式。
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