大跨度钢结构楼盖竖向振动舒适度的研究_朱鸣
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北京奥林匹克公园( B 区) 国家会 议中心 工程中局 部区域为大 跨度 钢楼盖, 对于舒 适度 的要求 较高。计 算表明, 该楼盖 正常使用时 的竖向自振频 率不到 3Hz, 接近于人的步 行频率, 因此 在人员 走动 或跳动 时有可 能产生较大的竖向振动。针对该楼盖的 竖向振动舒适 度水平及改善方法参考文[ 1] , [ 2] 进行专门研究。 1 舒适度设计标准
+ $G3sin( 6Pf s t - 5 3)
( 1)
式中, G 为体 重; $G1 = 014G, f s = 210Hz; $G1= 015G,
f s= 214Hz; $G2= $G3= 011 G, 5 2= 5 3= PP2。
图 2 主桁架立面图
减振前后结构竖向振动峰值加速度对比 表 2
工 未减振 况 ( g) A 01009 7 B 01018 5 C 01021 9 D 01010 6 E 01016 8 F 01033 9
图 1 人体舒适度可接受的 楼盖振动峰值加速度
一般民用建筑设计时采用的楼盖振动加速度限值 表 1
人所处 环境
办公、住宅、 教堂
商场
室内 天桥
室外 仅有节奏 天桥 性运动
楼盖振动加 速度限值( g )
01 005
01 015 01 015 0105 01 04~ 0107
2 结构设计方案 211 工程概况
减振后 ( g)
01004 9 01015 2 01011 7 01010 5 01015 1 01032 5
减振率 (%)
加速度限值 (g)
4911 01005( 参考/ 办公0 )
1714 01015( 参考/ 商业0 ) 4617 01015( 参考/ 商业0 )
113 01015( 参考/ 商业0 )
人对楼板振动的反应与楼盖振动的大小和持续时 间、人所处的环境、人 自身的 活动 状态, 以 及人的 心理
72
反 应 都 有 关 系。 楼 盖 振 动对人的影响一般可 以 用振动的峰值加速度 来 衡量。 不同 环境、不 同 振 动频率下人体舒适度 可 接受的楼盖振动峰值 加 速 度 参见 图 1[ 2, 4] 。 一 般 民用建筑设计时采用 的 楼 盖 振 动 加 速 度 限 值[ 1] 如表 1 所示。
采用 SAP2000 V9 有限 元软件对楼 盖进行了分析。 模态分析得到 的前 两阶振 型如 图 3 所示, 第一阶 振型 是竖向一阶对称弯曲模态, 跨中振幅最 大, 第二阶振型 是竖向二阶反对称弯曲模态。
图 4 步行激励曲线
构整体的响应是 最不 利的, 而 大会 堂的主 走道 正好位
于中间两 榀桁架之间, 因此考虑这 90 个人均布于中央
Study on Improving Peopleps Comfortableness on Large-Span Steel Floor StructuresPZhu Ming1, Zhang Zhiqiang2, Ke Changhua1, Zhang Xu1, Li Aiqun2( 1 Beijing Institute of Architectural Design, Beijing 100045, China; 2 College of Civil Engineering, Southeast University, Nanjing 210096, China) Abstract: Based on a project with a 60m-span floor structure, it does some trying work on checking and improving peopleps comfortableness on large-span steel floor structures. A vibration decreasing system of multipoint TMD-fluid viscous dampers is used in this floor structure. The dynamic response of floor structure caused by some disadvantageous cases before and after the vibration decreasing system is analyzed using SAP2000 software. To verify the actual effect of vibration decreasing, the onsite test is carried out, which tests the actual dynamic properties and structural response before and after dampers are installed. The testing result is basically consistent with the theoretic analysis. The structural practice indicates that the vibration decreasing system of multipoint TMD-fluid viscous dampers has some effect on minimizing the floor vibration of large-span structures and can be applied to similar large- span structures. Keywords: large span; comfortableness; vibration decreasing; TMD( tuned mass damper)
0 引言 楼盖结构的 跨度增 大时, 其竖向 振动 的自振 频率
将会降低。当自振频率降低 到与人的步 行频率( 115~ 21 5Hz) 接近时, 人 在楼 盖上 的运 动可 能会 引起结 构的 共振, 此时楼板 的竖向 振动 可能超 出人 能够接 受的程 度。国内建 筑结 构 设计 规 范在 这 方面 没 有明 确 的规 定。在5城市人行 天桥与 人行地道 技术规 范6( CJJ69 ) 95) 中有一条相关条文: / 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 3Hz0 。国外 在这方面已经研究多年, 美国、日本等国 家发布了相关 的设计指南[ 1- 3] 。
北京奥林匹克公园( B 区) 国家会议中心在 2008 年 奥运会期间为国际广播中心( IBC) 、击剑及 现代五项中
击剑和汽手枪 比赛场 地, 在 残奥会 期间 为硬地 滚球与 轮椅击剑场地, 在奥运会之后为北京举 办国际性会议、 综合展示活动的大型会议中心。工程分 为会议和展览 两大区域, 其中在会议区层 4 有一 块区域 为 60m @ 81m 跨度的钢结构 楼盖, 该 区域 在奥运 会赛 时为前 面提到 的几项赛事的比赛场地, 赛后为 5 500人大会 堂。由于 该 区 域 使 用 功 能 复 杂, 因 此 业 主 要 求 采 用 活 荷 载 71 5kNPm2( 局部座椅仓储处为 10kNPm2) , 远远大于一般 的楼盖活荷载 2~ 315kNPm2, 属于重荷载大跨度钢结构 楼盖。 21 2 结构方案
9m @ 60m 的 板 块 上。 人 步 行 激 励 曲 线 取 IABSE
( International Association for Bridge and Structural
Engineering) 的曲线[ 5] ( 见图 4) 。该曲线方程为:
Fp( t ) = G + $G1s in( 2Pf s t ) + $G2sin( 4Pf s t - 5 2)
取 115。中央区格 内等 效均布 荷 载为 0170 @ 30 @P( 12
@ 9) = 01292kPa。
41 工况 D
考虑大会堂所 有人( 5 500人) 一起 起立的 工况, 假
定人起立动作的持续时间为 1s。假定起立时的冲击荷
载曲线为一个正弦波, 人体重心运动的 位移、速度和加 速度表达式分别为:
第 38 卷 第 1 期
建筑结构
2008 年 1 月
大跨度钢结构楼盖竖向振动舒适度的研究
朱 鸣1 张志强2 柯长华1 张 徐1 李爱群2
( 1 北京市建筑设计研究院 100045; 2 东南大学土木工程学院 南京 210096)
[ 提要] 以某工程 60m 跨度钢结构楼盖为背景, 对大跨度钢结构楼盖舒适度的校核与改善做了研究。在楼盖 中采用了多点 TMD-粘滞流体阻尼器消能减振系统, 对楼盖减振前后在各种不利工况作用下的动力响应采用 SAP2000 进行了计算分析。为了验证减振效果, 对楼盖的实际动力特性及楼盖在安装阻尼器前后的响应作了 现场测试, 试验结果与理论计算基本一致。实践表明, 多点 TMD-粘滞流体阻尼器消能减振系统对于大跨度楼 盖竖向振动舒适度的改善具有一定效果, 可以在类似大跨楼盖结构中推广。 [ 关键词] 大跨度 舒适度 减振 TMD( 调频质量阻尼器)
s( t) = -
T 2P
2 a1sin 2TPt +
C1 t+
C2( t
I
[ 0, T ] )
( 2a)
v ( t ) = - 2TPa1 cos 2TPt + C1( t I [ 0, T ] )
( 2b)
a ( t) = a1sin 2TPt ( t I [ 0, T ] )
1013 01015( 参考/ 商业0 )
412 0104( 参考/ 仅节奏性活动0)
பைடு நூலகம்
备注
少量人快速走动 大量人慢速走动 少量人跳动 大量人集体起立 少量人快速起立 音乐会
图 3 楼盖的振型图
3 减振计算与分析 31 1 计算工况
奥运会议中心在会后作为高标准的国家级会议中 心, 需要满足各种各样的使用要求, 因此 在考虑舒适度 验算工况时充 分考虑 了可 能出现 的各种 不利 情况, 计 算时采用的基本工况见表 2, 激励曲线如图 4 所示。
73
考虑 大 会 堂 中 央 30 个 人 按 照 结 构 自 振 频 率
21 788 6Hz一起跳动的 情况, 工况可 能发 生在大 会堂被
用作演出场地时。人的范围在会议厅中央区格( 12m @
9m= 108m2) 内, 步行 激励 曲线 按照 正弦曲 线考 虑, 见 图 4。人的质 量取 70kg[ 1] , 动 力系 数参 考文 [ 1] 表 512
11 工况 A 考虑走道中 90 个人 按照 结构 自振 频率21 788 6Hz 快速走动的情况。激励荷载位于中间榀 桁架上时对结
实际计算时采用 F = Fp ( t ) - G 作为 激励 力作用 在 楼盖上。人 走动频率 为 2179Hz, 所 有人的走 动同相 位、同频率。人的质量取 为 70kgP人[ 1] 。阻尼比 参考文 [ 2] 的 21311 节, 414 节 的规 定, 考虑 隔墙、楼 面上 的座 位及人的阻尼作用, 取 0105。
21 工况 B 考虑走道中大量的人慢速走动的情 况。人走动频 率为 115Hz。仅考虑人在主要走道中走动, 参考我国的 荷载规范, 人的 均布 荷 载取 2kPa, 台阶 走 道上 减 半计 算。所有人的走 动同 相位、同 频率。平 面主 要走 道面 积按 330m2 计算, 等 效均布 荷载为 2 @ 330P( 81 @ 27) = 01302kPa。人步行激励曲线采用的公式同工况 A, 只是 步行频率 f s 取为 115Hz。 31 工况 C
大跨度楼盖 采用了 单向 平面钢 桁架 结构, 纵 向设 置支撑保证一 定的整 体空 间作用, 桁架 两端支 承在型 钢混凝土 柱上。 桁架 矢高 5125m, 杆 件截 面采 用 H 型 钢, 典型主桁架最大截面为 H600 @ 650 @ 35 @ 50。钢材 材质为高层建筑结 构用钢 Q345 GJC- Z15。楼 板采用厚 150mm 的压型钢板组合楼板。图 2 为主桁架立面图。 21 3 结构自振特性
+ $G3sin( 6Pf s t - 5 3)
( 1)
式中, G 为体 重; $G1 = 014G, f s = 210Hz; $G1= 015G,
f s= 214Hz; $G2= $G3= 011 G, 5 2= 5 3= PP2。
图 2 主桁架立面图
减振前后结构竖向振动峰值加速度对比 表 2
工 未减振 况 ( g) A 01009 7 B 01018 5 C 01021 9 D 01010 6 E 01016 8 F 01033 9
图 1 人体舒适度可接受的 楼盖振动峰值加速度
一般民用建筑设计时采用的楼盖振动加速度限值 表 1
人所处 环境
办公、住宅、 教堂
商场
室内 天桥
室外 仅有节奏 天桥 性运动
楼盖振动加 速度限值( g )
01 005
01 015 01 015 0105 01 04~ 0107
2 结构设计方案 211 工程概况
减振后 ( g)
01004 9 01015 2 01011 7 01010 5 01015 1 01032 5
减振率 (%)
加速度限值 (g)
4911 01005( 参考/ 办公0 )
1714 01015( 参考/ 商业0 ) 4617 01015( 参考/ 商业0 )
113 01015( 参考/ 商业0 )
人对楼板振动的反应与楼盖振动的大小和持续时 间、人所处的环境、人 自身的 活动 状态, 以 及人的 心理
72
反 应 都 有 关 系。 楼 盖 振 动对人的影响一般可 以 用振动的峰值加速度 来 衡量。 不同 环境、不 同 振 动频率下人体舒适度 可 接受的楼盖振动峰值 加 速 度 参见 图 1[ 2, 4] 。 一 般 民用建筑设计时采用 的 楼 盖 振 动 加 速 度 限 值[ 1] 如表 1 所示。
采用 SAP2000 V9 有限 元软件对楼 盖进行了分析。 模态分析得到 的前 两阶振 型如 图 3 所示, 第一阶 振型 是竖向一阶对称弯曲模态, 跨中振幅最 大, 第二阶振型 是竖向二阶反对称弯曲模态。
图 4 步行激励曲线
构整体的响应是 最不 利的, 而 大会 堂的主 走道 正好位
于中间两 榀桁架之间, 因此考虑这 90 个人均布于中央
Study on Improving Peopleps Comfortableness on Large-Span Steel Floor StructuresPZhu Ming1, Zhang Zhiqiang2, Ke Changhua1, Zhang Xu1, Li Aiqun2( 1 Beijing Institute of Architectural Design, Beijing 100045, China; 2 College of Civil Engineering, Southeast University, Nanjing 210096, China) Abstract: Based on a project with a 60m-span floor structure, it does some trying work on checking and improving peopleps comfortableness on large-span steel floor structures. A vibration decreasing system of multipoint TMD-fluid viscous dampers is used in this floor structure. The dynamic response of floor structure caused by some disadvantageous cases before and after the vibration decreasing system is analyzed using SAP2000 software. To verify the actual effect of vibration decreasing, the onsite test is carried out, which tests the actual dynamic properties and structural response before and after dampers are installed. The testing result is basically consistent with the theoretic analysis. The structural practice indicates that the vibration decreasing system of multipoint TMD-fluid viscous dampers has some effect on minimizing the floor vibration of large-span structures and can be applied to similar large- span structures. Keywords: large span; comfortableness; vibration decreasing; TMD( tuned mass damper)
0 引言 楼盖结构的 跨度增 大时, 其竖向 振动 的自振 频率
将会降低。当自振频率降低 到与人的步 行频率( 115~ 21 5Hz) 接近时, 人 在楼 盖上 的运 动可 能会 引起结 构的 共振, 此时楼板 的竖向 振动 可能超 出人 能够接 受的程 度。国内建 筑结 构 设计 规 范在 这 方面 没 有明 确 的规 定。在5城市人行 天桥与 人行地道 技术规 范6( CJJ69 ) 95) 中有一条相关条文: / 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 3Hz0 。国外 在这方面已经研究多年, 美国、日本等国 家发布了相关 的设计指南[ 1- 3] 。
北京奥林匹克公园( B 区) 国家会议中心在 2008 年 奥运会期间为国际广播中心( IBC) 、击剑及 现代五项中
击剑和汽手枪 比赛场 地, 在 残奥会 期间 为硬地 滚球与 轮椅击剑场地, 在奥运会之后为北京举 办国际性会议、 综合展示活动的大型会议中心。工程分 为会议和展览 两大区域, 其中在会议区层 4 有一 块区域 为 60m @ 81m 跨度的钢结构 楼盖, 该 区域 在奥运 会赛 时为前 面提到 的几项赛事的比赛场地, 赛后为 5 500人大会 堂。由于 该 区 域 使 用 功 能 复 杂, 因 此 业 主 要 求 采 用 活 荷 载 71 5kNPm2( 局部座椅仓储处为 10kNPm2) , 远远大于一般 的楼盖活荷载 2~ 315kNPm2, 属于重荷载大跨度钢结构 楼盖。 21 2 结构方案
9m @ 60m 的 板 块 上。 人 步 行 激 励 曲 线 取 IABSE
( International Association for Bridge and Structural
Engineering) 的曲线[ 5] ( 见图 4) 。该曲线方程为:
Fp( t ) = G + $G1s in( 2Pf s t ) + $G2sin( 4Pf s t - 5 2)
取 115。中央区格 内等 效均布 荷 载为 0170 @ 30 @P( 12
@ 9) = 01292kPa。
41 工况 D
考虑大会堂所 有人( 5 500人) 一起 起立的 工况, 假
定人起立动作的持续时间为 1s。假定起立时的冲击荷
载曲线为一个正弦波, 人体重心运动的 位移、速度和加 速度表达式分别为:
第 38 卷 第 1 期
建筑结构
2008 年 1 月
大跨度钢结构楼盖竖向振动舒适度的研究
朱 鸣1 张志强2 柯长华1 张 徐1 李爱群2
( 1 北京市建筑设计研究院 100045; 2 东南大学土木工程学院 南京 210096)
[ 提要] 以某工程 60m 跨度钢结构楼盖为背景, 对大跨度钢结构楼盖舒适度的校核与改善做了研究。在楼盖 中采用了多点 TMD-粘滞流体阻尼器消能减振系统, 对楼盖减振前后在各种不利工况作用下的动力响应采用 SAP2000 进行了计算分析。为了验证减振效果, 对楼盖的实际动力特性及楼盖在安装阻尼器前后的响应作了 现场测试, 试验结果与理论计算基本一致。实践表明, 多点 TMD-粘滞流体阻尼器消能减振系统对于大跨度楼 盖竖向振动舒适度的改善具有一定效果, 可以在类似大跨楼盖结构中推广。 [ 关键词] 大跨度 舒适度 减振 TMD( 调频质量阻尼器)
s( t) = -
T 2P
2 a1sin 2TPt +
C1 t+
C2( t
I
[ 0, T ] )
( 2a)
v ( t ) = - 2TPa1 cos 2TPt + C1( t I [ 0, T ] )
( 2b)
a ( t) = a1sin 2TPt ( t I [ 0, T ] )
1013 01015( 参考/ 商业0 )
412 0104( 参考/ 仅节奏性活动0)
பைடு நூலகம்
备注
少量人快速走动 大量人慢速走动 少量人跳动 大量人集体起立 少量人快速起立 音乐会
图 3 楼盖的振型图
3 减振计算与分析 31 1 计算工况
奥运会议中心在会后作为高标准的国家级会议中 心, 需要满足各种各样的使用要求, 因此 在考虑舒适度 验算工况时充 分考虑 了可 能出现 的各种 不利 情况, 计 算时采用的基本工况见表 2, 激励曲线如图 4 所示。
73
考虑 大 会 堂 中 央 30 个 人 按 照 结 构 自 振 频 率
21 788 6Hz一起跳动的 情况, 工况可 能发 生在大 会堂被
用作演出场地时。人的范围在会议厅中央区格( 12m @
9m= 108m2) 内, 步行 激励 曲线 按照 正弦曲 线考 虑, 见 图 4。人的质 量取 70kg[ 1] , 动 力系 数参 考文 [ 1] 表 512
11 工况 A 考虑走道中 90 个人 按照 结构 自振 频率21 788 6Hz 快速走动的情况。激励荷载位于中间榀 桁架上时对结
实际计算时采用 F = Fp ( t ) - G 作为 激励 力作用 在 楼盖上。人 走动频率 为 2179Hz, 所 有人的走 动同相 位、同频率。人的质量取 为 70kgP人[ 1] 。阻尼比 参考文 [ 2] 的 21311 节, 414 节 的规 定, 考虑 隔墙、楼 面上 的座 位及人的阻尼作用, 取 0105。
21 工况 B 考虑走道中大量的人慢速走动的情 况。人走动频 率为 115Hz。仅考虑人在主要走道中走动, 参考我国的 荷载规范, 人的 均布 荷 载取 2kPa, 台阶 走 道上 减 半计 算。所有人的走 动同 相位、同 频率。平 面主 要走 道面 积按 330m2 计算, 等 效均布 荷载为 2 @ 330P( 81 @ 27) = 01302kPa。人步行激励曲线采用的公式同工况 A, 只是 步行频率 f s 取为 115Hz。 31 工况 C
大跨度楼盖 采用了 单向 平面钢 桁架 结构, 纵 向设 置支撑保证一 定的整 体空 间作用, 桁架 两端支 承在型 钢混凝土 柱上。 桁架 矢高 5125m, 杆 件截 面采 用 H 型 钢, 典型主桁架最大截面为 H600 @ 650 @ 35 @ 50。钢材 材质为高层建筑结 构用钢 Q345 GJC- Z15。楼 板采用厚 150mm 的压型钢板组合楼板。图 2 为主桁架立面图。 21 3 结构自振特性