南京涵碧樓酒店空中鋼連廊的減振設(shè)計

李家佳 夏冬平 周建 汪凱

1.工程概況

南京涵碧樓綜合項目北鄰北河口水廠，南鄰河濱公園、萬景園，東鄰揚子江大道，西鄰夾江。地塊東西和南北均約300m，總用地面積約51000m2，總建筑面積246500m2。該工程長39.05m，采用2m 高鋼桁架結(jié)構(gòu)，利用6 個摩擦擺支座與兩側(cè)塔樓進行柔性連接，為改善橋面人行舒適度，跨中附加4 個調(diào)頻質(zhì)量阻尼器（TMD）。該建筑群由一棟五星級酒店（南北塔）、一棟酒店式公寓、一棟辦公樓及裙房組成，已建成并于2019 年投入使用。

本案分析對象為連接酒店南北塔樓63m 標高屋面的鋼結(jié)構(gòu)連廊。酒店南北塔樓平面為對稱的L 形，較為細長（L形的一肢長度70m，頂層寬度7.55m），建筑高度76.95m，塔樓結(jié)構(gòu)體系為框架-抗震墻結(jié)構(gòu)。

由于客房采用大開間（10m）、小進深（4.5m），且在31.45m 標高的雙側(cè)客房收緊為單側(cè)客房，結(jié)構(gòu)寬度僅7.55m，故相連的主體結(jié)構(gòu)橫向剛度較弱。鋼連廊支座落在62.95m 標高屋面，橋面在66.45m 標高與兩塔連通。

2.結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1 結(jié)構(gòu)體系及隔震設(shè)計

本酒店的南北塔樓具有結(jié)構(gòu)平面不規(guī)則、橫向剛度較弱的特點。為避免南北雙塔通過連接體將地震作用相互耦合并傳遞，故本案選擇采用弱連接方式，即通過鉸接或滑移支座進行連接。同時，為減小連橋自重引起的地震力對主體結(jié)構(gòu)的不利影響，連廊支座采用摩擦擺式隔震支座（FPB），實現(xiàn)有效隔震和自動復位。

本鋼結(jié)構(gòu)連廊跨度為39.05m，采用雙向鋼桁架（主+次桁架）結(jié)構(gòu)體系：縱向，采用3 榀高度2m（上下弦桿軸線距）主桁架，通過6 個摩擦擺式支座（FPB）分別支承于酒店左右塔樓屋面混凝土牛腿；橫向，采用4.5m～5m 不等間距布置9 榀倒梯形次桁架。

圖1 南京涵碧樓酒店鋼連廊實景圖

摩擦擺支座包括上部支座和下部支座，與桁架相連的上部支座下端面為球形凸面，與牛腿預埋件相連的下部支座上表面為球形凹面，球形凸面和凹面的接觸表面均勻設(shè)置摩擦阻尼層。光滑的凸凹接觸面摩阻較小，可實現(xiàn)地震時有效滑移和震后自動復位，可取得較好的隔震效果。后面針對鋼連廊的分析，都是將其作為一個獨立結(jié)構(gòu)進行的，不考慮其與主樓剛度和位移的耦合關(guān)系。

2.2 人行橋減振設(shè)計

由于該酒店建筑方案的立面造型需求，鋼連廊的橋身厚度（含外包層）需控制在2.5m 以內(nèi)，故鋼桁架的跨高比接近1/20，豎向剛度較柔，且該橋面上部支承間距9m～10m 的單跨鋼框架（高度7m）頂棚。為增強橋面豎向剛度及橫向抗扭剛度，船形橋面的上下表面及側(cè)面均采用薄鋼板蒙皮（6mm 厚鋼板與結(jié)構(gòu)桿件可靠焊接）。

本案運用有限元程序SAP2000，按三維空間模型對鋼連廊結(jié)構(gòu)進行動力特性分析，材料屬性均按規(guī)范取值。進行結(jié)構(gòu)模態(tài)分析時，質(zhì)量源選?。汉爿d+0.5 活載。該空間結(jié)構(gòu)形式復雜（與上部鋼棚架剛度耦合考慮），結(jié)構(gòu)自振周期較密集，故先對該結(jié)構(gòu)進行模態(tài)分析，得到豎向振動頻率在1.5Hz～2.0Hz之間，與人的步行頻譜（1.5Hz～3.0Hz）比較接近。考慮到酒店屋頂花園和露天餐廳后期會有人員密集的工況出現(xiàn)，結(jié)構(gòu)自振頻率與外部人行橋及振頻率接近，容易引起共振響應，共振引起的加速度的振幅過大超過人體舒適度耐受極限，極易給人造成心理上的恐慌。

為改變這一結(jié)構(gòu)的不利點，工程上一般有三種方法：結(jié)構(gòu)調(diào)整法、質(zhì)量調(diào)整法和消能減振法。前兩種方法是通過加大結(jié)構(gòu)桿件斷面或加大桁架高度，進而大幅提高連廊結(jié)構(gòu)的剛度，或者通過協(xié)調(diào)建筑功能或額外附加重質(zhì)量塊，顯著調(diào)大跨中質(zhì)量，改變自振頻率，使其自振頻率避開人行頻譜范圍，從而改善步行舒適度。但這兩種方式從結(jié)構(gòu)上講不經(jīng)濟，從建筑立面上不允許，故該兩種方法不可行。本案中，經(jīng)過多方案比選，最終決定采用消能減振法，即通過在鋼橋跨中懸掛調(diào)頻質(zhì)量阻尼器（TMD）進行消能減振，減小加速度峰值，從而改善舒適度。

為同時控制橋面的豎向振動和鋼頂棚側(cè)擺引起的扭轉(zhuǎn)振動，經(jīng)過反復計算優(yōu)化，最終選擇在2 榀主桁架跨中（上弦桿下口懸掛）設(shè)置4 套TMD。減振裝置參數(shù)見表1。

表1 減振系統(tǒng)計算參數(shù)

按高密度人群自由行走工況分析，統(tǒng)一取人群密度2 人/m2，選最不利情況分別按1.5Hz、1.8Hz、2.0Hz、2.2Hz、2.5Hz 五種情況考慮。加載時，人群荷載均布于鋼連廊走道上。

經(jīng)如上減振分析，結(jié)論為：結(jié)構(gòu)在共振工況下，加速度峰值減振率最大達到了50.14%，平均減振率為17.02%，峰值減振效果較為理想。

3.施工安裝

由于連廊支座所在標高為62.95m，下方具備施工條件的大底盤屋面標高為-6.10m，如何實現(xiàn)高空結(jié)構(gòu)的安裝是施工難點。經(jīng)過多方案比選，該鋼連廊的安裝最終采用“4m+31m+4m 分段拼裝——4m+4m 段就位固定加固——31m段整體提升69.05m——高空合龍”的方式。整個31m 中段的提升重量約為106t（含鋼板蒙皮），整個提升過程總計歷時約14 小時。

4.減振調(diào)試

空中連廊的主體結(jié)構(gòu)在施工完畢后，為測試TMD 減振效果，進行了一次實地測試。測試分為TMD 鎖死和TMD 放松兩種工況，人群激勵頻率分為1.0、1.8、2.2Hz。

（1）進行了鋼連廊自振頻率的測試，測試結(jié)果為2.15Hz，高于有限元軟件模型的計算值1.5Hz。分析其原因為，模型分析時偏于安全，未考慮鋼板蒙皮對剛度的貢獻。實際結(jié)構(gòu)中，采用間斷焊連接下的鋼板蒙皮貢獻了較大剛度，顯著提高了結(jié)構(gòu)自振頻率。

圖2 鋼連廊施工提升方案示意圖

（2）分別進行了三種人群激勵頻率下TMD 鎖死和放開共6 種工況下3個跨中測點的加速度響應測試。測試結(jié)果表明，1.8Hz 工況下，TMD 減振率均達到了40%以上，效果最好；與自振頻率最接近的2.2Hz 工況下，3 個測點的減振率也分別達到了33.3%～41.4%。

測試結(jié)果表明，鋼連廊跨中設(shè)置的減振裝置（TMD）獲得了較好的實際效果。

5.結(jié)語

本文通過對南京涵碧樓酒店南北塔樓間39.05m 跨空中鋼連廊的減振設(shè)計、施工吊裝、驗收測試等一系列工程實踐進行介紹，結(jié)果表明：原設(shè)計意圖已通過一系列技術(shù)措施得到了實現(xiàn)，調(diào)頻質(zhì)量阻尼器（TMD）裝置最終取得了較好的減振效果。針對高空連廊取得的一系列設(shè)計、施工、測試的經(jīng)驗，可以為今后相同結(jié)構(gòu)的設(shè)計提供參考。