宁波奥体中心游泳馆大跨楼盖舒适度分析

王 曦 陆烨佳 高久旺

(1.北京建筑大学土木与交通工程学院，北京 100044；2.CCDI悉地(北京)国际建筑设计顾问有限公司,北京 100013)

宁波奥体中心游泳馆大跨楼盖舒适度分析

王 曦1陆烨佳2高久旺2

(1.北京建筑大学土木与交通工程学院，北京 100044；2.CCDI悉地(北京)国际建筑设计顾问有限公司,北京 100013)

本文以宁波奥体中心游泳馆项目为研究背景，针对项目存在的大跨度楼盖的振动舒适度问题，进行了大跨楼盖舒适度的分析和设计。建立了楼盖的有限元模型，分别考虑了人行走、跑动和跳跃等工况； 采用时程分析法求得结构在各工况下的加速度响应； 同时采用 ATC 给出的人不同环境下人舒适度所能接受的峰值加速度水平作为该项目的舒适度评价标准。计算结果表明本项目的大跨度楼盖具有适宜的刚度和舒适度。本文采用的计算分析方法及评价标准对同类型大跨度楼盖的舒适度分析具有一定的参考价值。

组合楼盖； 舒适度； 荷载激励； 舒适度评价

【DOI】 10.16670/j.cnki.cn11-5823/tu.2016.05.06

1 工程概况

宁波奥体中心游泳馆三层东侧为健身区，此部分大跨度楼盖采用 H 型钢梁-组合楼板体系，长向主梁跨度为36.3m，短向次梁跨度为8.4m，主次梁布置如图1 所示。

图1 健身区结构平面布置图

主次梁均采用H型钢梁，截面分别为H2300×800×35×50、H500×300×12×20。组合楼板采用 YXB51-305-915 型压型钢板，板厚为120mm，钢板的厚度为1.0mm。混凝土强度等级为 C30，钢材材质均采用 Q345。楼面恒荷载4.0kN/m2，活荷载为4.0kN/m2。

2 结构舒适度评价标准

除了《高层建筑混凝土结构技术规程》(JGJ3-2010)中控制楼盖竖向振动频率的方式外，控制结构的峰值加速度是舒适度评价的主要方式。目前国内外常用的评价标准有Dickmann指标、Sperling舒适度指标、欧洲 Euro Code 舒适度评价标准、ATC 标准[3]等。美国 ATC(Applied Technology Council)1999年发布了《减小楼盖振动设计指南》，该标准作为峰值加速度舒适度评价标准而广泛应用，本项目也将采用此标准进行楼盖的舒适度评价。ATC 给出的不同环境、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2 所示。

由图2可知，结构的自振频率不同，振动舒适度的评价指标也不同，自振频率在4-8Hz之间，可以直接根据结构的使用功能得出加速度的控制指标。当自振频率不在此范围内，可以根据插值法得出加速度控制指标。以本工程为例，结构的自振频率为3.2Hz，结构的使用要求为有节奏的训练场地，根据 ATC 给出的楼盖振动峰值加速度的评价标准，由插值法可以得出，峰值加速度限值为0.633m/s2。

图2 不同环境下人舒适度所能接受的峰值加速度水平

3 楼盖舒适度分析

组合楼盖的舒适度分析采用MIDAS/GEN建立舒适度分析的有限元单层计算模型，偏安全考虑，只将结构的恒载转换为结构质量。对混凝土部分阻尼比取0.05，钢结构部分阻尼比取0.02。经模态分析后，楼盖竖向第一自振频率为3.2Hz，满足高规规定的楼盖结构的竖向振动频率不宜小于3Hz 的要求。考虑部分房间功能为跳操房，需对其进行进一步的舒适度分析。

3.1 时程函数的选取

对于本项目楼盖的舒适度分析，主要采取以下四种荷载激励模型，其中对于人的平均体重，近似取0.75kN。

3.1.1 单步行走模型

人的行走会产生竖向作用力，这与人行走的落足曲线有关，人行走时每一步都产生同样的力并且力在时间域内具有周期性的特点，Baumann 提了行人行走一步的竖向荷载模型，如下式所示[4]。

(2-1)

式中，

G——行人体重；

αi——第i阶荷载谐波的动载因子；

fp——步频；

φi——相位角。

本文取人的平均重量 0.75kN、步行荷载频率2Hz来模拟单人单步行走的荷载激励，如图3 所示。

3.1.2 连续行走模型

由于连续行走曲线在时间上有一定的重叠，因为Baumann的步行荷载被

IABSE(国际桥梁和结构工程协会)等进行了进一步的细化，如下式所示[5]。

(2-2)

式中，G——行人体重；

ΔG1=0.4G，fs=2.0Hz；

ΔG2=ΔG3=0.1G；

本文取人的平均重量0.75kN、步行荷载频率2Hz来模拟单人连续行走的荷载激励，如下图4 所示。经试算，在连续行走5 步和连续行走10 步下的峰值加速度值是一样的，因此本文对各工况下连续行走激励的模拟均选取连续行走5 步。

图3 单人单步行走时程函数

3.1.3 跑动模型

有研究表明，从荷载峰值上，跑动的作用力大大超过了人多体重，慢跑时的峰值作用力大约为体重的2.5倍，而快跑时的峰值作用将更大。本文选取MIDAS提供的跑动(Allen&Rainer)时程函数进行跑动激励的模拟，跑动的冲击荷载时程如图5所示。

3.1.4 跳跃模型

BRE建议行人跳跃荷载可以描述成在一段特定的时间内是很大的接触荷载，紧接着是双脚离地后的一段零荷载。一个周期内的跳跃荷载函数如下式所示。

(2-3)

式中，Kp——冲击系数(Fmax/G)；

Fmax——动荷载峰值；

G——跳跃者的体重；

Tp——接触时间；

T——跳跃荷载周期

BRE[6]推荐对于一般跳跃取接触系数为1/3，跳跃荷载函数可采用下式加载[6]。

(2-4)

单人连续跳跃5次的时程函数如下图6所示。

图6 跳跃时程函数

3.2 分析工况的选取

在静力荷载工况恒载+0.5活载下，健身区的竖向位移云图如下图7所示。其中钢主梁竖向位移最大节点编号为1380，竖向位移37mm。

图7 健身区竖向位移等值线

根据健身区的使用功能和振动特性，舒适度分析的工况及加载方式如表1所示。人完全同步行走或者同步跑动的概率很低，只有经过严格训练的人才能做到，一般情况下不会出现很多人同步行走或跑动的情况，另外根据建筑功能的设计，因此本文选取了单人和三人同时行走及跑动的工况进行分析(工况1～工况8)。该健身区设有跳操房，因而会有单人或一群人原地踏步的情况，即连续行走(工况9～工况12、工况15)。因为出现多人同时跳动的概率较同步行走更小，所以本文只选取了几个工况(工况13、14和16)进行了分析作为辅助参考。其中工况15和工况16是考虑到健身区人的视野及碰撞，按接近最大人群密度施加。

表1 分析工况

工况类型加载位置工况1单人行走路线1工况2单人行走路线2工况3三人行走路线1工况4三人行走路线2工况5单人跑动路线1工况6单人跑动路线2工况7三人跑动路线1工况8三人跑动路线2工况9单人连续行走节点1380工况10五人连续行走节点1380及周围相邻4个点工况11一队人连续行走(X向)路线1中跨中的各点工况12一队人连续行走(Y向)路线2中的各点工况13单人跳动5次1380工况14五人跳动5次节点1380及周围相邻4个点工况15方队(9x9)连续行走跨中区域工况16方队(9x9)跳动5次跨中区域

表1中的各个工况的加载位置如图8至图12所示。

4 计算结果与分析

为更全面的了解楼盖在各个工况下的振动情况，并考虑到结构的对称性，本文选取了如图13所示的10个点的加速度峰值进行该楼盖的舒适度评价。各点的加速度响应如表2所示。

图8 路线1、2示意图

图9 工况9、13的加载方式示意图

图10 工况11的加载方式示意图

图11 工况10、14的加载方式示意图

图12 工况12的加载方式示意图

图13 评价节点编号

该楼盖的竖向振动频率为3.2Hz，根据ATC给出的楼盖振动峰值加速度的评价标准，由插值法可以得出，对于有节奏的运动场所，峰值加速度限值为0.633m/s2。对于工况1至工况13及工况15均满足楼盖舒适度要求，工况14和工况16不满足要求，但是通常出现多人同时跳跃的概率很小，因此，在一般情况下，该健身区在人行走、跑动和跳跃的工况下均可以满足舒适度的要求。

表2 各点加速度响应(m/s2)

节点12345678910工况10.0070.0080.0050.0040.0050.0100.0090.0090.0100.008工况20.0090.0080.0030.0070.0030.0030.0040.0030.0020.004工况30.0210.0220.0150.0140.0160.0280.0260.0260.0270.025工况40.0180.0190.0080.0160.0080.0090.0130.0070.0040.011工况50.0930.1010.0290.0300.0250.0970.0990.0990.1030.102工况60.0990.0970.0100.1070.0080.0160.0200.0140.0140.010工况70.2780.2860.0860.0870.0730.2660.2830.2810.2920.291工况80.1910.1980.0300.2060.0250.0450.0550.0360.0390.030工况90.0010.0220.0020.0080.0020.0020.0030.0030.0020.002工况100.1050.1120.0100.0450.0100.0120.0190.0190.0110.012工况110.0820.0840.0240.0510.0180.0260.0710.0660.0170.015工况120.2220.2210.0360.1960.0280.0470.0830.0830.0370.041工况130.0280.0290.0150.0160.0140.1460.0170.0170.0100.019工况140.7070.6960.3710.3970.3440.3540.4030.4060.2390.479工况150.2850.2850.0670.1670.0690.0870.1810.1810.0610.090工况161.3191.3010.4680.7680.4720.4730.7940.8000.3000.695

5 结论

本文以宁波奥体中心游泳馆项目为研究背景，通过对大跨楼盖在人行、跑动和跳跃的情况下的竖向动力响应进行了分析，得到了在各个工况下楼盖的各控制点的竖向峰值加速度。通过对上述计算结果的分析，研究项目的楼盖分别在人行、跑动和跳跃的荷载激励下，竖向振动峰值加速度均可以满足ATC中对有节奏运动场所的舒适度评价标准。本文采用的计算分析方法及评价标准对同类型大跨度楼盖的舒适度分析具有一定的参考价值。

[1]傅学怡， 曲家新，陈贤川等.时程频谱结合分析方法对展望桥人行舒适度的分析与控制[J].土木工程学报， 2011, 44(10): 73-80.

[2]袁旭斌. 人行桥人致振动研究[D].上海：同济大学， 2006.

[3]ATCDesignGuide1Minimizingfloorvibration[S].RedwoodCityCA：AppliedTechnologyCouncil， 1999.

[4]娄宇， 吕佐超，黄健.人行走引起的楼板振动舒适度设计[J].特种结构， 2011， 28(2).

[5]MatsumotoY，NishiokaT，ShiojiriH，et，al.Dynamicdesignoffootbridges[C].IABSEProceedings， 1978： 17-78.

[6]BREDigest426.Theresponseofstructurestodynamiccrowdload[S].1997.

2.CCDI(Beijing)InternationalArchitecturalDesignConsultingCo.，Ltd.，Beijing100044,China)

Ningbo Large-span Floor Comfort Analysis of Olympic Sports Center Swimming Pool

Wang Xi1，Lu Yejia2，Gao Jiuwang2

(1.BeijingUniversityofCivilEngineeringandArchitecture，Beijing100044,China；

This paper takes Ningbo Olympic sports center swimming pool project as the research background for large span floor vibration comfort problems of the project，has carried on the analysis and design of long-span floor comfort.Floor of the finite element model is established，considering the working condition of walking，running and jumping，etc.Using time history analysis method for structure under various operating conditions on the acceleration response.Use of ATC is given at the same time would be acceptable to different environmental human comfort horizontal peak ground acceleration as the comfort evaluation standard.The calculation results show that the objective of the large-span floor with appropriate stiffness and comfort.This paper uses the calculation method and evaluation standard of comfort analysis of the same kind of large span floor has a certain reference value.

Composite Floor； Comfort Level； Load Incentives； Comfort Evaluationz

王曦(1982-)，男，北京建筑大学硕士在读，工程师。主要研究方向：大跨空间钢结构。

TU318

A

1674-7461(2016)05-0030-05