大跨度建筑钢结构组合楼盖舒适度分析及优化

一、概述

由于建筑使用功能方面的品质提升优化要求，大跨度楼盖结构优化在目前工程中越来越多，除了关注承载力以及挠度等指标之外，舒适度问题也逐渐成为结构分析的一项主要优化内容。上篇文章主要介绍分析了混凝土楼盖对人行走下舒适度问题；在实际工程中钢结构组合楼盖工程也比较普遍，大跨度楼盖通常情况下在高层及超高层框架核心筒组合结构中以及连接两栋建筑的室外廊桥中应用较多，一般来说钢结构对人行振动响应更加敏感。本文以框架核心筒结构以及封闭式室外廊桥为两个案例具体介绍下大跨度钢结构组合楼盖舒适度问题。

二、舒适度评价指标

对于办公为主的楼盖，根据《舒适度标准》峰值加速度控制限值为0.05m/s² ，

对于封闭室外连廊峰值加速度限值为0.15m/s²；不封闭连廊为0.5m/s²

另外根据规范要求，对于办公为主的楼盖，舒适度验算仅考虑单人行走激励下的楼盖响应，但对于室外廊桥，则需要考虑人群行走引起的振动响应问题。下面以两个案例详细分析一下人行激励下组合楼盖舒适度问题。

三、案例分析

（一）案例一

1、基本情况

某高层办公楼，框架核心筒结构，核心筒为钢筋混凝土结构，外围框柱为钢管混凝土，梁为H型钢，组合楼盖；附加恒载2.0kn/㎡，考虑灵活布墙因素活载取3kn/㎡，由于使用功能要求，除边梁外，梁高度限制在550mm以内，楼板厚度120mm，选择最不利点A点及B点，具体布置如下图所示：

2、楼板不利点自振频率

采用稳态函数对楼板基频进行捕捉，选择跨度最大处可能的两点A点和B点进行计算，根据计算结果，A点及B点自振频率均为4.8Hｚ，均大于３Hｚ；

2、人行走激励函数

根据《建筑楼盖振动舒适度技术标准JGJT 441-2019》，对于人行激励为主的情况采用单人行走激励函数进行时程分析，单人行走激励荷载如下所示，

根据以上公式，通过编辑excel表格可得到各频率下人行走函数如下：

4、时程分析

本次分析施加方式，采用单点输入，将以上人行频率函数导入sap2000有限元软件中，对楼盖的不利点位置施加固定激励荷载函数，经计算分析所得各步频函数下楼板峰值加速度值如下：

小结：以上最不利楼盖振动加速度为0.079m/s2，则0.079/2=0.04m/s2<0.05m/s2,竖向振动加速度接近限值，但也可以满足规范要求；

（二）案例二

1、基本情况

某室外连廊，连接两栋建筑，宽度8m，跨度20m，梁为H型钢，组合楼盖；楼板厚度120mm，附加恒载2.0kn/㎡，活载取3.5kn/㎡，具体布置如下图所示：

2、自振频率

该连廊平面布置相对简单，很容易判断最不利点为连廊中心点位置，由于楼板对钢梁刚度贡献较大，考虑楼板的组合作用，钢梁刚度根据《钢高规》相关要求，梁刚度放大1.5倍近似考虑，经计算可知竖向自振频率为2.8Hz。

3、人行走激励函数

根据舒适度标准相关规定，室外连廊采用人群荷载激励，这一点与室内环境要求激励模式有较大不同，另外人群荷载频率比单人行走频率范围更宽，从某种意义上讲，比单人行走模式更为不利，产生共振的可能性也更大。

2.8/1=2.8>2.5 取2.5Hz，对应激励函数如下：

第二阶荷载频率下楼盖振动加速度如下：

小结：二阶荷载激励下竖向振动加速度不满足规范要求；

（3）调整结构刚度，梁高800mm调整为1100mm，经计算竖向自振频率为4.36Hz

经计算第二阶荷载频率下楼盖振动加速度如下：

小结：二阶荷载激励下竖向振动加速度满足规范要求；

四、结论

根据以上有限元时程分析结果可知，

１、对于案例一，当为室内办公情况，通常情况下，大跨度钢结构楼盖，在单人行走激励下楼盖舒适度可满足规范要求，但结果相比较与混凝土结构更加不利些，尤其当梁高受限梁刚度偏弱时也可能存在不满足情况，故对于梁高受限梁跨高比比较大的情况需要进行竖向振动加速度验算，当不满足时适当调整梁的刚度往往可以较容易满足。

２、对于室外连廊结构，由于其跨度通常比较大，自振频率往往较小，根据现有规范计算原则，人群激励荷载二阶频率与楼盖自振频率产生共振概率极高，要避免二阶激励荷载共振现象，根据规范则结构自振周期需要控制在不小于4.6Hz，此时不需要进行二阶竖向荷载激励下加速度验算。

３、本案例二，二阶荷载激励下竖向峰值加速度达0.237m/s2，远大于一阶荷载引起的0.044m/s2，对于规范要求的封闭式连廊限值仅为0.15m/s2，超限较多，不能满足要求。通过调整连廊刚度自振频率增大至4.36Hz（大于4.2Hz）时，竖向振动加速度减小至0.105m/s2可满足规范要求；故对于封闭式连廊最佳处理方式是增大梁刚度确保竖向自振频率大于4.2Hz，当有条件时尽可能调整到大于4.6Hz以避开二阶荷载下共振情况，对于增加自重，因考虑到无法避免二阶荷载下共振现象，效果往往不明显；但对于开敞式连廊因为规范要求限值比较宽松，通常情况下也比较容易满足，若竖向自振频率小于4.6Hz，竖向峰值加速度超过规范限值不多时，除了增大梁刚度外，增加自重也是一种改善舒适度的方式。