某超高层框架－核心筒结构楼盖舒适度分析

陈宜言，尧国皇

(深圳市市政设计研究院有限公司，广东深圳518029)

1 工程概论

该工程建筑总高215 m(含出屋面结构)，共48层，第1层层高为6.0 m，第2～5层为5.2 m，设备层层高为4.5 m，标准层层高为4.1 m。建筑第1～2层主要为大堂空间(由于建筑功能的需要，在结构首层存在跨层的框架柱)，第3～5层为商业用途，17层、33层为设备层，其他楼层为办公室用途。结构首层核心筒尺寸为19.2 m×22.15 m，核心筒高宽比为215.0/19.2=11.2。工程的结构设计基准期为50年，建筑场地类别为II类，安全等级为二级，抗震设防烈度为7度，场地特征周期为0.45 s，基本地震加速度为0.15g，抗震设防类别为丙类，设计地震分组为一组。塔楼平面为方形，其标准层的平面图如图1所示。

该结构为稀柱框架－钢筋混凝土核心筒结构体系，底部若干层采用钢管混凝土柱，楼面梁采用钢筋混凝土梁。由于外框架柱与核心筒之间的距离较大(接近12 m)，受业主委托，对该结构进行竖向荷载作用下的楼盖舒适度研究，主要包括人跳跃荷载和人行荷载。本文利用SAP 2000［1］建立了整体结构分析模型，用shell单元模拟楼板、剪力墙及洞口上方的连梁，用frame单元模拟梁和柱，图2所示为结构分析模型。

图1 结构标准层平面图

文献［2］对楼盖的舒适度问题进行了相关的论述，并采用简化计算方法对钢结构和混凝土结构的楼盖舒适度进行了计算，文献［3］在 ATC Design Guide规程［4］的基础上对深圳华侨城创意中心结构进行了舒适度评价和分析，得到了较好的分析结果。本文在以往的分析研究成果基础上对该稀柱框架－钢筋混凝土核心筒结构楼盖进行人跳跃荷载和人行荷载下的楼盖舒适度计算，以期获得一些有用的结论。

2 舒适度评价指标

楼板的振动，一般是由人们行走、舞蹈、运动或机械车辆设备运行等产生。有关楼板振动对人们生活工作舒适度的影响，国内研究较少，美国、日本、欧洲等一些国家对此进行过一些研究并发布过有关设计指南，本工程主要参考国外规范和控制指标计算［2～4］。

图2 分析模型

楼盖振动过大将影响人们的生活工作。楼盖振动限制取决于人对振动的感觉。人对楼盖振动的感觉取决于楼盖振动的大小和持续时间，取决于人所处的环境和人所从事的活动，取决于人的生理反应。不同环境、不同振动频率下人们舒适度可接受的楼盖振动峰值加速度如图3所示［4］。

现行的对楼盖舒适度的计算方法一般有两种［3］:(1)对整体模型采用软件计算出楼板的竖向振动频率，其不足是各楼层容易相互影响，同一楼层各部分楼板也容易相互影响，因而难以区分所求楼板的真实振动频率，同时用此法所得的频率计算加速度响应只反映了第1竖向阵型的影响，没有考虑高阶阵型的影响;(2)根据荷载分布，通过简化计算公式求出竖向振动频率，其缺点在于不能反映荷载的动力特性。

图3 舒适度可接受的楼盖振动峰值加速度［4］

3 荷载输入参数

3.1 人跳跃波

激励频率范围:1.55～3.04 Hz，间隔0.5 Hz。单人跳跃动力荷载取值为3 kN=激励系数4×0.75 kN(近似单人重量)。

3.2 人行走时程

激励频率范围:1.2～4 Hz，间隔0.4 Hz，单人行走动力荷载取值=激励系数×0.75 kN(近似单人重量)，激励系数随行走频率增大而增大。

图4给出了典型的人跳跃荷载和人行荷载时程曲线。

图4 典型的人跳跃荷载和人行荷载时程

4 计算结果

计算时，分两种荷载工况计算。(1)工况一:分低区、中区和高区，选择典型激励点施加单人跳跃动力荷载;(2)工况二:选择所有楼层的部分节点同时施加单人行走动力荷载，每层48个激励点，设备层除外，全楼共计46层。以下以工况二的计算结果为例来分析稀柱框架－钢筋混凝土核心筒结构楼盖舒适度。

表1 各控制点竖向加速度峰值(×10－3m/s2)

表1给出了各控制点的竖向加速度峰值。图5给出了最不利点6110在最不利激励2.4 Hz激励下的加速度响应。

通过对表1和图5的计算结果分析可知:(1)结构楼层共振发生在2.4 Hz左右;(2)加速度响应大小规律为下部楼层＜中部楼层＜上部楼层;(3)在极端不利情况下，下部楼层最大加速度31×10－3m/s2，参考美国ATC(Applied Technology Council)1999年发布的《减小楼板振动》设计指南，满足住宅、办公、酒店类型建筑楼盖舒适度允许的最大竖向振动加速度0.07 m/s2，可见本工程楼盖满足舒适度要求。

5 结论

通过采用结构分析软件SAP 2000，对某框架－核心筒结构楼盖舒适度进行计算和分析，可以得到如下初步结论:

图5 最不利点6110在最不利激励2.4 HZ激励下的加速度响应

(1)通过施加人跳跃荷载和人行荷载时程激励，可较准确地得到楼盖一定区域的竖向共振频率和对应的峰值加速度，再根据美国ATC 1999年发布的《减小楼板振动》设计指南可评价楼盖的舒适度;

(2)对于与本文类似的采用钢筋混凝土核心筒和钢筋混凝土框架的超高层结构，较易满足楼盖的舒适度要求。

［1］北京金土木软件技术有限公司，中国建筑标准设计研究院.SAP 2000中文版使用指南［M］.人民交通出版社，2006

［2］徐培福，傅学怡，王翠坤，等.复杂高层建筑结构设计［M］.北京:中国建筑工业出版社，2005

［3］吴国勤，傅学怡，施永芒，等.华侨城创意展示中心楼盖舒适度分析［J］.广东土木与建筑，2009(10)

［4］ATC Design Guide 1，Minimizing Floor Vibration，Applied Technology Council，1999