體育場大跨度連廊的舒適度分析及振動控制

陰 光 華

(中國建筑第八工程局有限公司工程研究院，上海 200122)

1 工程概況

奧體中心體育場屋蓋鋼結(jié)構(gòu)平面近似為圓形，南北向長度約291.5 m，東西向長度約為311.6 m，由索承網(wǎng)格結(jié)構(gòu)、管桁架結(jié)構(gòu)、鋼網(wǎng)架結(jié)構(gòu)以及大跨度空中連廊等構(gòu)成，如圖1所示為體育場屋蓋俯視圖。體育場南北端空中連廊采用三角形巨型桁架結(jié)構(gòu)，詳見圖2。下部支承于鋼框筒上，結(jié)構(gòu)高度33.6 m，東西長112 m，南北寬22.8 m，最大跨度82 m。三角巨型桁架包含平面桁架、立面三角桁架兩部分，部分節(jié)點采用焊接球連接。鋼框筒為鋼框架結(jié)構(gòu)，主要構(gòu)件截面形式有：B1 000×1 000×45×45，B1 000×1 000×55×55，B1 200×1 000×55×55，B400×400×30×30。三角形巨型桁架結(jié)構(gòu)形式為網(wǎng)架桁架，網(wǎng)架主要在底部；桁架為豎向片狀桁架，共計15片，之間用圓管或方管連接。

表1 結(jié)構(gòu)前十階振型豎向質(zhì)量參與系數(shù)

模態(tài)號12345678910頻率/Hz1.962.552.933.143.854.054.074.264.444.58豎向質(zhì)量參與系數(shù)/%9.9522.722.722.723.423.426.826.826.826.8

文獻[1]查閱了國內(nèi)外關(guān)于振動舒適度研究的文獻和資料，將各國關(guān)于樓板振動舒適度的評價標準進行了匯總，從評價方法和評價指標等方面系統(tǒng)地闡述了振動舒適度評價領(lǐng)域的成果和現(xiàn)狀。目前世界主要采用加速度控制的方式評價樓板的舒適度[2]。首先對大跨度連廊部分進行了特征值分析，結(jié)果表明該大跨度連廊前十階自振頻率較為密集，自振頻率和豎向質(zhì)量參與系數(shù)見表1，結(jié)構(gòu)基本周期為0.51 s，第一階振型即為豎向振動。前四階振型模態(tài)見圖3。

2 加速度響應(yīng)分析

人行荷載的模型采用IABSE(International Association for Bridge and Structure Engineering)提供的連續(xù)步行荷載，IABSE在定義步行荷載時考慮的是步行者走動時由于其自身重量而導致的持續(xù)作用效果。在荷載曲線確定的情況下，可以根據(jù)實際情況指定人行荷載的頻率、荷載值等。本文中定義人的重量為0.7 kN，分析時間步長取為0.005 s。不同行走模式的步距和頻率見表2[1]，時程曲線見圖4。

表2 不同行走模式的步距和頻率(一)

該體育場為甲級體育場，考慮舉辦大型賽事時人員密集，考慮人行密度1人/m2,因行人前后間距變小，已不能自由按照本人意愿行走，行人步頻已接近相同[3]?？紤]行人同頻率、同相位在連廊上慢速行走、正常行走、快速行走、慢速跑步、快速跑步的行走模式，可求得各工況下最不利點1 645節(jié)點(如圖1所示)的加速度響應(yīng)(見圖5)。

從圖5中可以看出，連廊在慢速行走、正常行走、快速行走、慢速奔跑和快速奔跑下加速度響應(yīng)峰值分別為0.26 m/s2,0.25 m/s2,0.27 m/s2,0.67 m/s2,1.22 m/s2,結(jié)果表明，慢速行走、正常行走、快速行走時加速度峰值均小于《城市人行天橋與人行地道技術(shù)規(guī)范》要求的0.05g的限值[4]，滿足舒適度要求；連廊在慢速跑步和快速跑步荷載作用下的加速度峰值大于規(guī)范要求的0.05g的限值，不滿足舒適度要求。

表3 不同行走模式的步距和頻率(二)

TMD編號質(zhì)量/kg彈簧剛度/N·m-1阻尼系數(shù)/Ns·m-11985138 0521 645

現(xiàn)有研究表明TMD對于大跨度人行橋、連廊的振動控制是十分有效的。前述分析表明，慢跑和快跑的步頻與連廊的三、四階自振頻率較為接近，因此，TMD調(diào)頻取為三、四階自振頻率附近，取為3.0 Hz。根據(jù)文獻[5]中TMD參數(shù)優(yōu)化方法可得到TMD參數(shù)見表3,TMD施加位置見圖6，施加TMD之后1 645點的加速度響應(yīng)時程曲線見圖7。

由圖7計算結(jié)果可知，填加TMD減振措施后，在慢速跑步和快速跑步荷載作用下的連廊的豎向振動加速度峰值變?yōu)?.34 m/s2,0.49 m/s2，加速度峰值分別減小49.3%和59.8%。加速度峰值均小于《城市人行天橋與人行地道技術(shù)規(guī)范》要求的0.05g的限值，滿足舒適度要求。

3 結(jié)語

體育場大跨度連廊為輕柔型結(jié)構(gòu)，目前國內(nèi)現(xiàn)有的人行橋規(guī)范要求豎向頻率大于3.0 Hz的要求通常需要大大增加結(jié)構(gòu)豎向剛度[6]，并大幅提升項目造價，應(yīng)以加速度控制為主。通過對鄭州奧體體育場連廊的舒適度分析和TMD減振分析得到以下結(jié)論：

該連廊為空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，自振頻率較為密集，在慢步行走、正常行走、快速行走工況下能滿足舒適度要求，而慢跑和快跑工況下則不能滿足，慢跑和快跑的步頻與結(jié)構(gòu)第三、四階自振頻率較為接近。結(jié)合振型質(zhì)量參數(shù)系數(shù)來看，第一自振頻率時，豎向振型質(zhì)量參與系數(shù)較小，而三、四階則相對較大。

計算表明，TMD參數(shù)的選取需要通過多次試算來確定，且應(yīng)布置在所調(diào)諧頻率對應(yīng)振型的峰值附近，方可取得最佳的控制效果。

該連廊設(shè)置TMD后，結(jié)構(gòu)的加速度響應(yīng)明顯減小。但是在TMD深化設(shè)計和安裝之前應(yīng)對結(jié)構(gòu)的動力特性進行實測，為減振參數(shù)的最終確定提供保證。