人行荷载作用下大跨悬挂楼盖调频阻尼控制研究

采用 Ｍｉｄａｓ软件平台，分别对整体结构有限元 模型和简化 悬 挂 楼 盖 模 型 进 行 动 力 特 性 分 析，计 算结果见表 １和图 ２．可见，整体结构在第 ４、８、１０ 阶出现悬挂 楼 盖 部 位 的 局 部 振 型，其 与 简 化 结 构 前 ３阶的周期、频率吻合良好，且整体结构第四阶 振型和悬挂楼盖局部结构第一阶振型的振型对比 图的吻合性 也 很 好，尤 其 是 振 动 较 大 部 位 亦 保 持 一致．由此，鉴于大悬挂楼盖局部结构动力特性与 整体结构相 应 振 型 保 持 一 致 的 现 象，本 文 采 用 大 悬挂楼盖的简化有限元模型来进行人激荷载作用 下的动力响 应 及 其 振 动 控 制 分 析，在 满 足 计 算 要 求的条件下减小计算工作量．
第 ３期
汪大洋：人行荷载作用下大跨悬挂楼盖调频阻尼控制研究
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２ 模型简化与动力特性对比分析
由于该结构楼盖只有悬挂部分在人行荷载作 用下产生了 较 大 的 人 激 振 动，如 果 采 用 整 体 模 型 分析，势必造成计算周期和人力资源浪费，为此拟 采用简化模 型 分 析，即 将 悬 挂 楼 盖 部 分 提 出 进 行 单独分析．在简化过程中，ＡＢ和 ＢＣ２边与主体结 构梁、柱、板相连，认为人激荷载作用下这 ２边的 振动为零，故这 ２边取为固定约束；ＣＤ和 ＤＡ２边 由 １８根钢杆悬吊，因此，将与悬吊杆相连位置增 加弹簧约束，弹簧刚度取悬吊杆的轴向刚度．
建筑功能多元化促使现代建筑结构不断趋向 个性化、艺术化和线条化发展，在追求满足功能需 求的同时，对审美和舒适性的要求也在不断提高， 建筑体型别 出 心 裁、标 新 立 异．然 而，这 种 建 筑 体 型多伴随大 跨、轻 盈、大 悬 挑 等 形 式，使 得 结 构 阻 尼相对较低，结 构 竖 向 振 动 频 率 往 往 落 在 人 行 荷 载激励频率范围内（１６～３２Ｈｚ）［１］，当 ２者的频 率相当即会 产 生 共 振，直 接 影 响 结 构 的 舒 适 性 和 安全性．常 用 的 解 决 办 法 有 ２种：① 增 大 结 构 刚 度，但随之带 来 造 价 上 升、体 型 笨 重、施 工 不 便 等 不利之处；②采用增加结构阻尼的方式，即通过安 装调频质量 阻 尼 器 （ＴＭＤ，ＴｕｎｅｄＭａｓｓＤａｍｐｅｒ）来 降低人激 振 动［２－５］．本 文 结 合 人 激 荷 载 作 用 下 舒 适度不满足要 求 的 某 大 跨 悬 挂 楼 盖 结 构 （舒 适 度 限值为 ０２ｍ·ｓ－２），采用调频阻尼减振技术对其 进行振动控 制 分 析，研 究 不 同 人 激 荷 载 作 用 下 调 频阻尼减振技术的控制效果．
收稿日期：２０１８－０３－０１； 修回日期：２０１８－０４－０２ 基金项目：国家自然科学基金资助项目（５１７７８１６２）；广州市科技资助项目（２０１６０７０１０１５１，１２０１５８１６３２） 作者简介：汪大洋（１９８０—），男，副教授，博士．Ｅｍａｉｌ：ｗａｄａｙａ２０１５＠ｇｚｈｕ．ｅｄｕ．ｃｎ
第 １７卷 第 ３期
２０１８年 ６月
广州大学学报（自然科学版）
ＪｏｕｒｎａｌｏｆＧｕａｎｇｚｈｏｕＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ（ＮａｔｕｒａｌＳｃｉｅｎｃｅＥｄｉｔｉｏｎ）
文章编号：１６７１４２２９（２０１８）０３００５００６
Ｖｏｌ．１７ Ｎｏ．３ Ｊｕｎ． ２０１８
人行荷载作用下大跨悬挂楼盖调频阻尼控制研究
汪大洋
（广州大学 土木工程学院，广东 广州 ５１０００６）
摘 要：针对一竖向振动频率处于人行荷载范围的场馆大跨悬挂楼盖进行调频阻尼减振控制研究，对比分析 场馆整体结构模型和大跨悬挂楼盖局部简化模型的动力特性，基于最优控制原则设计调频质量阻尼器的参数 和布置位置，在一般人群随机荷载、极端人群随机荷载、节拍及跳跃人群荷载等 １２种人行工况下，研究无控和 有控大跨悬挂楼盖结构的人激动力响应．结果表明，楼盖结构在无控条件下的振动加速度响应大大超过限值要 求，但通过合理的调频阻尼减振设计，有效抑制该大跨楼盖人激振动响应，最大峰值加速度减振效果达 ６１％；楼 盖结构位移响应很小，虽在人激荷载作用下可不予考虑，但调频阻尼器仍对其具有良好的控制效果．研究成果 可为类似工程结构在人行荷载作用下的控制设计提供借鉴参考． 关键词：人行荷载；悬挂楼盖；调频阻尼器；大跨结构；振动控制 中图分类号：ＴＵ３５２．１ 文献标志码：Ａ
面尺寸约为 ３２ｍ×１２ｍ．悬挂楼盖外侧 ２边由 １８ 根直径为 ６０ｍｍ的 Ｑ３４５钢杆吊挂固定，该悬挂板 的梁板构件材料分别为 Ｑ３４５钢和 Ｃ４０混凝土．其 结构三维有限元模型见图 １．
１ 工程概况
某场馆工程因建筑功能要求，将 ２层局部楼 盖设计成为悬挂楼盖，该悬挂楼盖总体呈矩形，平
图 １ 结构三维有限元模型图 Ｆｉｇ．１ Ｔｈｒｅｅｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌｆｉｎｉｔｅｅｌｅｍｅｎｔｍｏｄｅｌ
序号
１ ２ ３

振型 第 ４阶 第 ８阶 第 １０阶
表 １ 整体和简化结构模型动力特性对比 Ｔａｂｌｅ１ Ｃｏｎｔｒａｓｔｏｆｓｔｒｕｃｔｕｒａｌｄｙｎａｍｉｃｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ
整体结构 周期 ／ｓ ０．３５４６ ０．２３７２ ０．２２９８
频率 ／Ｈｚ ２．８２０１ ４．２１５９ ４．３５１６
ｅｌａｎｄｓｉｍｐｌｉｆｉｅｄｍｏｄｅｌ
３ 人行荷载激励
３．１ 人行荷载激励模式 单人行走荷载模式采用国际桥梁及结构工程
协 会 （ＩＡＢＳＥ，ＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌＡｓｓｏｃｉａｔｉｏｎ ｆｏｒＢｒｉｄｇｅ ａｎｄＳｔｒｕｃｔｕｒａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ）提供的模型 ： ［６－７］
振型 第 １阶 第 ２阶 第 ３阶
简化结构 周期 ／ｓ ０．３６８１ ０．２４８４ ０．２３５２
频率 ／Ｈｚ ２．７１６７ ４．０２５８ ４．２５１７
频率差值 百分比 ／％
３．６７ ４．５１ ２．３０
图 ２ 整体和简化结构模型的振型对比 Ｆｉｇ．２ Ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎｏｆｍｏｄｅｓｈａｐｅｓｂｅｔｗｅｅｎｔｈｅｆｕｌｌｓｉｚｅｍｏｄ