异形平面组合空腹夹层板楼盖舒适度实测研究*

卢亚琴, 肖 同, 马克俭, 魏艳辉, 王勤征, 陈 靖

(1 贵州大学空间结构研究中心，贵阳 550025；2 贵州省结构工程重点实验室，贵阳 550025)

0 引言

随着经济技术的发展和建筑使用功能要求的提高,大跨度楼盖结构已成为建筑结构领域新潮流,应用越来越多。大跨度楼盖具有跨度大、刚度小、柔性大、阻尼比小等特点,其舒适度问题早已引起世界各国广泛关注。国外对楼盖舒适度的研究开展较早,1978年英国颁布了第一部对楼盖舒适度提出要求的BS 5400规范[1]。1997年美国和加拿大钢结构协会撰写的AISC Steel Design Guide#11对楼盖结构加速度和阻尼比提出了规定[2]。PCI标准[3-4]对楼盖振动提出频率、阻尼比和加速度峰值的要求。我国《高层建筑混凝土结构技术规程》(JGJ 3—2010)[5](简称《高规》)、《混凝土结构设计规范》(GB 50010—2010)[6](简称《混规》)、《组合楼板设计与施工规范》(CECS 273—2010)[7](简称《组合规》)均对楼盖结构自振频率、加速度提出了规定。

国内外研究人员常用试验和有限元法对大跨度楼盖舒适度开展研究。Da Silva、Lee、Strogatz等[8-10]采用试验和有限元相结合的方法分别对钢-混凝土组合楼盖的模态和加速度进行对比分析,结果表明,人类有节奏的活动可放大结构的振动。Steffens[11]根据房屋对火车振动的反应提出人能承受的楼盖加速度峰值限值。Ellingwood等[12]发现行走方式对楼盖振动的影响,提出采用楼盖自振频率与竖向位移相结合的方法来评价楼盖舒适度,并提出了加速度限值。刘建军等[13]对大跨度钢网格组合空腹楼盖进行了现场模态和加速度测试,结果表明,楼盖竖向振动频率和加速度峰值均符合舒适度要求。姜岚等[14-15]采用有限元法对大跨度空腹夹层板楼盖进行模态和加速度研究,结果表明,跨高比、空腹率、表层薄板厚度对加速度峰值影响较大。胡岚等[16]对黑龙江中医药大学文体中心的大跨度U型钢板组合空腹夹层板楼盖进行实测和有限元分析,结果表明,楼盖竖向1阶振动频率和竖向峰值加速度均满足现行规范要求。姜岚、LU Y Q[17-18]对贵州省博物馆的协同式型钢-混凝土空腹夹层板进行模态与加速度研究,结果表明,楼盖自振频率及加速度峰值计算值、实测值均满足规范。上述大跨度楼盖结构均为正方形或长方形平面,本文对应用于贵州省博物馆新馆的大跨度组合空腹夹层板异形平面楼盖结构进行现场竖向振动模态和加速度峰值测试,并与有限元计算结果进行比较。

1 楼盖舒适度评价标准

国内现行规范对楼盖的竖向自振频率限值规定见表1。《高规》规定:楼盖结构竖向振动加速度峰值不应超过表2限值。《组合规》规定住宅和办公加速度峰值不宜大于0.005g,商场和餐饮不宜大于0.015g。《高规》和《组合规》均从自振频率和加速度峰值两个方面对舒适度进行了规定,而《混规》仅从自振频率进行要求。

表1 楼盖自振频率限值/Hz

表2 《高规》楼盖竖向振动加速度限值

ATC规范[19]从阻尼比、加速度峰值两个方面对楼盖进行舒适度评价(表3)。自振频率是楼盖结构的固有属性,只与结构刚度、质量有关,与外加激励无关。楼盖结构跨度越大,刚度越小,自振频率往往越低,当人在楼盖上行走、跳跃时会对楼盖结构形成振动激励,楼盖在激励作用下产生竖向振动,若振动幅度过大,则会造成使用者心理上的不安与恐慌,因此,从自振频率和加速度峰值两个角度能更全面评价楼盖舒适度水平。

表3 ATC规范楼盖竖向振动加速度限值α0

2 舒适度现场实测试验

贵州省博物馆新馆位于贵阳市,设计使用年限100年,工程按地震烈度6度设防,7度抗震构造措施,乙类建筑。馆内珍藏有文物、古生物化石等贵重藏品,要求大跨度、大开间,因此博物馆采用组合空腹夹层板结构进行设计(图1)。通过设伸缩缝将其分为3个区域,均为异形平面。本次试验所在区域为B区标高25m处的4层少数民族馆异形平面楼盖,采用组合空腹夹层板楼盖结构,跨度25.2m,楼盖周围有其他房间与其相连,剖面如图2所示。

图1 大跨度异形平面组合空腹夹层板楼盖

图2 组合空腹夹层板楼盖剖面

2.1 试验仪器

现场用到的试验仪器有:8通道东华DH5910动态信号测试分析系统、泰斯特TST126V加速度传感器,通过笔记本电脑进行数据采集。

2.2 测试方法及测点布置

采用环境随机激励方式进行测试,测试时楼盖范围内禁止进行任何作业活动,只利用系统的响应数据对固有频率、模态振型、模态阻尼比这3个参数进行估计。测试时,贵州省博物馆新馆主体结构完工,具备试验条件。数据采集系统通过周围环境对楼盖引起的振动采集数据并进行分析处理后,采用模态分析系统进行模态分析。采用频响函数分析得到各点频响函数数据,再利用频响函数数据,通过模态参数识别方法即可得到结构的模态参数。

测试楼盖平面尺寸较大,根据有限元分析楼盖振动特征及现场实际情况,选择组合空腹夹层板楼盖部分上下肋相交处节点为测点,共选取36个测点,测点布置及编号如图3所示。

图3 组合空腹夹层板楼盖现场测点布置

进行加速度峰值测试时,共考虑如下6种工况:单人在指定位置原地跳跃(工况1);单人沿指定路线行走(工况2);10人列队沿指定路线行走(工况3);10人并列沿指定路线行走(工况4);12人原地踏步(工况5);12人在指定区域自由行走(工况6)。指定路线有两条,路线一为沿跨度方向从测点13到测点18;路线二为垂直跨度方向从测点3到测点36。单人重量为0.7kN,12人平均重量为0.72kN。

测试前,选定12个试验人员,分别测量试验人员的身高、体重、正常行走频率,从而确定三组测试跳跃频率,分别为1.7、2.1、2.4Hz。加速度测点选择在异形组合楼盖一阶形心及其附近处,分别为图3中的测点8、9、14、15、26共5个测点。12人原地跳跃点如图3中阴影网格所示,试验人员站在每个网格十字节点处。测试人员根据音频先进行原地跳跃,待跳跃频率与音频完全一致后,开始记录并存储数据,每组频率激励时间为30s。

现场测试前,将所有测点用测量仪器在楼盖上精确定位,并用彩笔进行标注,再用打磨机将测点打磨平整,并对测点按图3进行编号。测量时,图3中测点8为参考不动点,加速度传感器如图4所示。采样频率100Hz,分析频率39.06Hz。

图4 加速度传感器

3 结果分析

3.1 模态分析

采用环境随机激励方式进行测试,获得测点数据后通过重量模态软件中的不测力算法进行模态分析,得到此处第4层楼盖的前4阶实测自振频率、阻尼比,见表4。楼盖前4阶实测振型如图5所示。

图5 实测楼盖前4阶振型

表4 楼盖实测值与有限元计算值对比

有限元软件建模时,考虑上、下层柱刚度对楼盖动力特性的影响,将上、下层柱分别取层高的一半,即反弯点处,柱端约束3个方向的线位移,模型中的剪力墙参照柱的取法。Petyt等[20]发现现浇柱的抗弯刚度是动力荷载下楼盖体系的重要影响参数,它对楼盖的自振频率影响很大。Pavic等[21]认为柱子对楼盖的边界支承条件也会影响楼盖的自振频率和动力效应。因测试楼盖只是贵州省博物馆新馆的其中一部分,附近还有楼盖与其相连,考虑临近结构对楼盖有一定的约束作用,Zhou等[22]研究表明,此种情况会影响楼盖刚度,因此楼盖边界条件假定为:周边与框架梁相连,其与框架梁相交的节点设为固支。建模时,柱、上肋、剪力键、下肋、U型钢板均采用梁单元建模,上层薄板、框架梁以及剪力墙均采用壳单元。由于实际设计的剪力键尺寸种类较多,为方便建模,剪力键尺寸统一取0.7m×0.7m,跨度方向下肋U型钢板厚度统一取8mm,垂直于跨度方向下肋U型钢板厚度统一取4mm。因高强螺栓及U型钢板与下肋之间的连接销钉只起连接作用,故建模时未考虑。考虑动力荷载的影响,将混凝土弹性模量放大1.2倍,泊松比取0.2,阻尼比取0.02。实测时博物馆主体刚完工,故质量源定义为1.0倍恒载。有限元分析得到楼盖前4阶振型见图6。

图6 有限元分析楼盖前4阶振型

现场实测和有限元计算所得楼盖第1阶自振频率分别为5.90、6.18Hz,均远大于规范规定的3Hz的要求,建筑物在使用过程中,不会出现共振现象。阻尼比均小于0.05。从表4可见:有限元计算频率与现场实测频率相比结果偏差较小,误差均在5%之内。现场实测振型由于周边有临近结构约束,且左侧跨度较大处的剪力键大多为十字形,尺寸较大,致使其振型的中心稍向左侧偏移,与有限元振型不完全一致。有限元振型图光滑,而实测振型棱角较为分明,可能与有限元分析时约束是刚性固结,但现场实际情况不完全是刚性固结有关。

3.2 加速度峰值分析

博物馆为公共建筑,参观人数较多,因此多人工况与实际情况更接近。现场实测分析发现,各工况下,测点15处的加速度峰值均较大,工况1～4测点15在跳跃或踏步频率2.4Hz时的加速度时程曲线见图7(a)～(d);工况5、6为测点15在各阶跳跃或踏步频率下的加速度时程曲线,如图7(e)、(f)。因各工况下其他测点的加速度峰值比测点15小,所以文中未列出其余4个测点的加速度时程曲线。

图7 各工况下测点15加速度时程曲线

图7(a)中给出单人分别站在5个测点在跳跃频率2.4Hz、原地跳跃时测点15处的加速度时程曲线,可以看出,当单人站在测点15处跳跃时,测点15的加速度峰值最大,达35.49mm/s2;当单人站在测点26处跳跃时,加速度峰值最小,即测点的加速度随着跳跃点与测点的距离增大而减小。由图7(b)可见,单人沿着跨度方向行走时,加速度峰值比沿着垂直跨度方向更大;从支座走到跨中再到支座,加速度由小到大,当走到跨中时达到最大,随后又逐步变小;与其他工况相比,单人沿指定路线工况下的加速度峰值最小,仅11.7mm/s2。图7(c)、(d)与图7(b)中的加速度时程曲线规律类似,10人并列沿指定路线行走的加速度峰值比10人列队情况下的大,即多人一起沿跨度方向行走时情况更不利。因此,博物馆在设计展柜时,让人员流动方向顺着房间长度方向将更为有利。图7(e)为多人在指定位置在不同踏步频率下原地踏步时的加速度时程曲线,可以看出,随着踏步频率的加大,加速度峰值随之增大;在踏步频率2.4Hz时,加速度峰值达到最大,为36.22mm/s2,即0.036m/s2;结果满足《高规》和《组合规》中住宅、办公房间加速度峰值限值0.05m/s2的要求。图7(f)的曲线规律与图7(e)类似。从图7可以看出,工况5下,测点15的加速度峰值最大。

表5给出了工况5作用下,各测点在不同踏步频率下的加速度峰值。从表5可以看出,测点8、9、14、26处加速度峰值随踏步频率增大而增大,测点15、16、21处在踏步频率从1.7Hz增大到2.1,再增大到2.4Hz时,加速度峰值先减小又增大,究其原因,可能是原地踏步时,测试人员在踏步过程中偏离了最初的踏步点引起的。

表5 工况5下各测点加速度峰值/(mm/s2)

4 结论

(1)现场实测和有限元分析异形平面组合空腹夹层板楼盖的自振频率均大于3Hz。因此,组合空腹夹层板楼盖适用于大跨度异形平面楼盖,自振频率满足规范要求。

(2)组合空腹夹层板楼盖加速度峰值测试时,最不利工况为2.4Hz时12人在指定位置原地踏步,加速度峰值达到0.036m/s2;其次为单人在测点15附近原地跳跃时测点15的加速度达到0.035m/s2,可见,跳跃对楼盖加速度峰值影响较大;单人沿指定路线行走时,加速度峰值最小,仅0.011 7m/s2。

(3)相同工况下,加速度峰值随着频率的增大而增大。现场实测各工况下,异形组合空腹夹层板楼盖的加速度峰值均满足《高规》和《组合规》中住宅、办公房间小于0.05m/s2的要求。