浅谈楼盖结构舒适性设计:无梁楼盖结构
时间：2020-03-07 08:20:12 来源：雅意学习网 本文已影响 人 
[摘 要] 大跨度空间结构楼盖的舒适性是结构设计中重要因素。 [关键词] 楼盖 舒适度 自振频率 峰值 随着建筑技术发展，对空间结构人性化需求越来越受到重视，因此，降低楼盖运动对舒适度的影响有助于设计出更经济，更舒适的建筑。
1.舒适度控制标准
楼盖震动取决于楼盖结构震动响应，近年来的研究证明，楼盖震动可以分为：1）共振，通过控制楼盖结构振动频率来避免与人类行走产生共振。2）变形，对于因楼盖自震频率比较大，需要控制楼盖在荷载下的变形震动。3）脉冲，施加行走脉冲激励，由震动速度求得震动峰值加速度和振幅。
对常见的建筑结构设计，较为实用的是共振模型和脉冲震动模型。对人员行走引起的震动标准，也可以分为控制结构的最小自振频率和控制结构震动加速两种。
通过控制结构的最小刚度来改善使用者的舒适度。
国际标准化组织ISO通过测定人对不行荷载的感知度，去定了一个基本标准，即通过限制最大加速度来规定不同用途的建筑物，对步行荷载的抗振指标。
采用质量、刚度阻尼以及步行荷载的分析方法，较为准确，绝大部分楼盖结构的振动频率在2~8Hz之间，在结构设计阶段，通过分析结构的振动特性，来控制结构的刚度，并作为结构建成投入使用前，来进行模拟实验。
2.行走荷载
步行者走动时由于自身重量导致的持续作用效果，可以根据步行荷载的步幅、频率、荷载值等来测定。
在荷载振动频率的整数倍趋于。由于共振的影响，震动效果变得强烈。尤其可以得出，在进行建设前的模拟实验中，考虑步行荷载的振动频率很关键。
步行荷载的振动频率主要在1.6~2.5Hｚ之间，但若要准确的推断是非常困难的。可采用特征值分析一遍能够求出最大相应加速度。
3.1楼盖结构选型
由于要得到楼盖结构的准确振动特性，只能通过试验测量的方法，但是实测不仅需要专业的设备和人员，且费用昂贵，最重要的是如果测试结果不满意，难以弥补，因此，采用合理的楼盖结构，并在结构设计阶段就要对结构的震动特性进行控制，十分必要。
3.2自振特性
基于静力分析，采用子空间迭代法进行结构自振特性分析，得到的结构自振频率和振型。
3.3反应谱及弹塑性动力时程分析
在分析自振特性的基础上，采用振型分解反应谱法对结构进行多余振动作用下的分析。
3.4风振响应分析
风振在大空间结构的设计中也是应该考虑的因素，引起空间大，柔性建筑特点，跨度大，对风荷载十分敏感。为此，采用时域方法进行楼盖结构的响应分析。
4.结构整体振动分析。
结构的低阶振型是整体的平动和扭转振型，其中也包含了一定的连桥的平动和扭转，对于楼面舒适度研究，更重要的是竖向振型和频率，从结构振型来看，首先出现竖向震动的是连桥。
实用不行荷载时，考虑一列人同相位，同频率的通过连桥，不行频率为２.8Hz。人的质量平均为70卡壳步幅为0.65m,人的间距为1.2m,故可以将行走荷载作为一列集中力作用在楼盖上，荷载均值为650N/点。结合结构设计数据可以计算是否发生共振。
以某财富中心楼盖为例，它由两座塔楼和裙房组成，大堂位于两座塔楼之间，平面尺寸26m×49.1m,高度24m.大堂共4层，采用钢框架结构体系，主体结构由12根直径1.1m的钢管混凝土柱子组成，主承重体系和抗测力体系。2~4楼面为围绕中空大厅的回廊，回廊承担楼面荷载和塔设扶梯，承受较重荷载。由于整个结构体系以及楼盖结构的刚度较为弱，因此需要重点研究结构的舒适问题。尤其是位于南北两侧的连桥。由于连桥刚度小且支承条件弱，还需要对其在结构震动特性进行评估。
此财富中心大堂造型简洁大方，空间效果通透，作为大堂各层交通的连桥与整体理念相协调，设置平行的两根搞390mm钢梁，两端支撑在屋顶，通过吊杆提供弹性支点，此方案结构与建筑效果吻合。在建成后通过专业测试极好的满足了楼盖的舒适度要求。
采用共振模型和脉冲模型，通过分析楼盖的振动特性，如最小自振频率，震动峰值加速度，来控制楼盖的舒适性设计的分析方法，证明了此设计方法的可靠性。
测试中自振频率相同，层2~4的屏幕振动幅值依次增大，符合结构力学模型的振动规律。回廊的竖向震动测试结果表明，回廊的南、北两侧连桥力学模型可以简化为有竖向弹性支撑点的连续梁结构。同事可以看到，由于悲惨连桥为3层，股频率相对于南侧的2层连桥来说偏低。在测试过程中最大偏差为17%在工程接受范围以内，经分析，误差来源于材料强度可能高于预设值，数值计算模型在一定程度上有所简化，削弱了结构的刚度。
5.在架构建成后，对楼盖的震动性进行实际测量。
脉冲法是利用结构由于外界各种因素引起的微小而不规则的震动来确定结构的动力特性。结构的脉动有一定特征，就是它能明显反映出结构的固有频率。因此它具有各种频率成分，而结构的固有频率的谐量是脉动的主要成分，在脉动频谱图中可以清楚的看出来。
对回廊的竖向震动采用跳击的方法测试。在被测结构上急速的施加一个冲级作用力，由于冲级作用的时间短，实际相当于一个冲击脉冲作用，脉冲的动能传递到结构振动系统的时间远小于振动系统的自振周期，并且冲击脉冲一般都包含了从零到无限大的所有频率，只有被测结构的固有频率与之相同或者接近时，才会对结构起作用，从而激发结构以及固有频率做自由的震动。
6.测试结果分析
大跨度的柔性空间结构楼盖的舒适性是结构设计中不可忽视的重要因素，悬吊楼盖结构经分析和实验证明，可以满足正常使用的舒适度需要。
采用共振模型和脉冲震动模型，通过楼盖结构的振动特性，来控制楼盖结构的刚度，是楼盖舒适性设计的实用方法。
舒适性控制标准和步行荷载的选取是方法的关键，不同的取值可能得到不同的结论。采用国际较为通用的ISO标准，经实践验证是有效可行的。
在深入的设计过程中，可以考虑设置阻尼和质量调频系统，以达到进一步优化结构设计的目的。
7.1可微调式结构
可微调结构的概念是基于释放结构内部变形的思路提出来，如同人体的微调系统一样，让结构具备微调的能力，在温度变化时，结构可一定程度上自由变形，那么温度内力就可以减小甚至全部消失。
通过合理的节点设计，将环梁节点用摩擦型高强度螺栓平配以长螺栓孔连接当产生温度变形而引发震动频率变化时，起到适度调节的作用。使外界对楼盖结构的外力作用得到很好的控制从而避免共振的产生。
7.2设计建议
楼盖的设计形式多种多样，跨度和层数及与主体结构关系个不相同，应根据具体情况找出结构合理，施工方便，安全经济的结构形式。
钢梁铰接形式的楼盖，再搞跨比较小时可能不能满足舒适度要求，自振周期和自振频率是结构主要的动力特征。楼盖边梁为弹性支撑，框架柱对结构自振周期也有影响，但影响较小。单向组合楼盖各阶频率增大程度越来越小，不利于楼盖消振，双向组合楼盖各阶频率增大程度更为明显，分布较为分散。
根据静力对比结果可知，在楼盖搞跨比一定时，双向组合楼盖的承载力高于单向组合楼盖，但用钢量高于单向组合楼盖，且r>1.6时，双向组合楼盖第一阶自振频率低于单向组合楼盖。
8.加强层部位分析
通常在楼盖设计过程中设计到加强层，在加强层的选择上，建议选择有限刚度，在满足整体结构的刚重比和位移角的情况下，减小加强层伸臂刚度，以减少整体结构的的共振几率。针对加强层不为构件传力较为复杂的情况，对该部位的构件在性能目标上要做较为细致的考虑。
参 考 文 献
[1]大跨度钢结构楼盖竖向振动研究。2008，38（1）：
[2]国家工业建筑诊断与改造工程技术研究中心2007.
[3]中国建筑工业高层建筑结构设计.2005.
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