汕頭亞青會場館項(xiàng)目(一期)鋼結(jié)構(gòu)關(guān)鍵技術(shù)分析*

區(qū) 彤，張艷輝，譚 堅(jiān)，蘭春光，林松偉

(1 廣東省建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司， 廣州 510010；2 北京市建筑工程研究院有限公司， 北京 100039)

1 工程概況

汕頭大學(xué)東校區(qū)暨亞青會場館項(xiàng)目位于廣東省汕頭市東部塔崗圍片區(qū)，東南向面臨南海，是第三屆亞洲青年運(yùn)動(dòng)會的主場館，按甲級體育場館標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計(jì)建設(shè)，賽后移交汕頭大學(xué)使用。項(xiàng)目建設(shè)規(guī)模約為14.8萬m2，包含2.2萬人體育場、8 000人體育館、會議中心以及室外訓(xùn)練場等內(nèi)容，多館合一，集約高效利用場地源。建筑造型立意為“大浪淘沙、勇立潮頭”，展現(xiàn)汕頭敢為人先，勇立潮頭的拼搏精神[1]。建筑實(shí)景鳥瞰圖如圖1所示。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)內(nèi)容見文獻(xiàn)[2]，本文集中對其鋼結(jié)構(gòu)關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行探討。

體育場內(nèi)場為環(huán)形封閉結(jié)構(gòu)，內(nèi)場檐口東西方向長128.85m，南北方向長185.5m；體育場鋼屋蓋整體不設(shè)縫，單體長度298m；體育場高度為39.10m。鋼屋蓋采用倒三角立體懸臂桁架+拱桁架的結(jié)構(gòu)體系：倒三角立體懸臂桁架沿徑向布置，共74榀，最大懸挑距離36.5m；東南及西北方向立面大開口處分別設(shè)置了拱桁架，最大跨度為118m；為保證各徑向桁架的平面外穩(wěn)定及提高整體結(jié)構(gòu)空間效應(yīng)，設(shè)置3道環(huán)桁架及若干上弦水平交叉支撐：第1道設(shè)置在鋼柱及V形支撐頂；第2、3道結(jié)合建筑空間效果設(shè)置于馬道兩側(cè)，兩道間結(jié)合徑向桿件形成一道立體空間桁架，在兼顧提供剛度又不過大增加溫度應(yīng)力的前提下設(shè)置平面交叉支撐。鋼結(jié)構(gòu)整體布置如圖2所示。

鋼屋蓋與下部混凝土結(jié)構(gòu)三維關(guān)系及典型結(jié)構(gòu)布置剖面如圖3所示。結(jié)構(gòu)主受力桿件采用Q355B鋼管，桿件節(jié)點(diǎn)采用空間相貫節(jié)點(diǎn)，V形支撐柱采用萬向球鉸支座與混凝土斜看臺頂相連。鋼屋蓋計(jì)算分析采用MIDAS/Gen，計(jì)算模型采用下部混凝土+鋼屋蓋的總裝模型[3]，充分考慮下部混凝土剛度對鋼屋蓋的影響。

2 設(shè)計(jì)條件與荷載標(biāo)準(zhǔn)

汕頭亞青會場館項(xiàng)目的設(shè)計(jì)基本條件詳見文獻(xiàn)[2]。鋼屋蓋采用不銹鋼66H屋面系統(tǒng)，屋面自重約0.85kN/m2，局部有吊頂區(qū)域吊頂自重約0.45kN/m2，因此屋面附加恒載分區(qū)取0.85kN/m2或1.3kN/m2，活荷載按不上人屋面取0.5kN/m2。

汕頭亞青會場館項(xiàng)目臨海，距離海岸線直線距離約270m，屬于強(qiáng)臺風(fēng)多發(fā)地區(qū)。場地粗糙度類別為A類，主體結(jié)構(gòu)基本風(fēng)壓值取0.95kN/m2(重現(xiàn)期100年，用于承載力計(jì)算)、0.80kN/m2(重現(xiàn)期50年，用于變形計(jì)算)。建筑造型復(fù)雜且多場館連為一體，風(fēng)壓分布復(fù)雜，全年風(fēng)向變化較大，僅根據(jù)《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》(DBJ 15-101—2014)[4]難以準(zhǔn)確評估風(fēng)荷載，因此委托華南理工大學(xué)進(jìn)行了1∶250的風(fēng)洞試驗(yàn)[5]，試驗(yàn)按有周邊建筑物和無周邊建筑物兩組工況，分36個(gè)風(fēng)向角進(jìn)行試驗(yàn)。根據(jù)試驗(yàn)報(bào)告，檐口等效靜風(fēng)荷載最大值為2.72kN/m2，入口拱桁架大開口位置最大值為2.92kN/m2，立面最大值為2.23kN/m2，風(fēng)振系數(shù)最大值為2.2，屋面最大極值風(fēng)吸荷載為4.5kN/m2，設(shè)計(jì)中選取推薦的0°、120°、220°、330°這4個(gè)風(fēng)向角下的結(jié)果作為輸入荷載。

3 關(guān)鍵傳力路線

3.1 豎向荷載傳力路線

傳力路線規(guī)劃、力流分析是結(jié)構(gòu)概念設(shè)計(jì)中一項(xiàng)關(guān)鍵工作，體育場鋼屋蓋近似呈橢圓形，空間效應(yīng)明顯，在豎向荷載作用下，典型結(jié)構(gòu)剖面的彎矩圖如圖4所示。馬道環(huán)桁架外側(cè)通過懸臂桿件作用機(jī)理傳到環(huán)桁架，在環(huán)桁架位置形成類似支座效應(yīng)，利用環(huán)桁架的空間效應(yīng)進(jìn)行空間傳力分配，再利用懸臂桿件作用機(jī)理將荷載傳遞至V形支撐、直鋼柱、落地桁架、大跨度拱桁架，形成完整的豎向荷載傳力路徑。

3.2 水平荷載傳力路線

體育場鋼屋蓋投影面積大，支撐點(diǎn)少，鋼屋蓋落地情況分布如圖5所示，合理確定水平力傳遞路徑及抵抗水平力的措施是設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵。鋼屋蓋通過設(shè)置水平交叉支撐及環(huán)桁架沿環(huán)向路徑將水平力傳遞到落地桁架，徑向上通過徑向桁架直接將水平力傳遞給V形支撐及下部混凝土，環(huán)向及徑向兩條路徑共同將水平力傳遞至抵抗構(gòu)件上，長細(xì)直鋼柱剛度小，傳遞水平力的能力較弱，主要的傳遞路徑有:一是從鋼屋蓋到V形支撐再到混凝土斜看臺，二是從鋼屋蓋到落地桁架再到2層混凝土大平臺結(jié)構(gòu)。兩條路徑可將水平力高效傳遞至下部結(jié)構(gòu)，設(shè)置落地桁架既可抵抗水平力也可提高結(jié)構(gòu)整體抗扭剛度。

4 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)關(guān)鍵問題

4.1 動(dòng)力特性與穩(wěn)度性分析

鋼屋蓋前4階振型如圖6所示，模態(tài)分析結(jié)果表明，結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性有以下特點(diǎn)：1)模態(tài)周期分布較為密集；2)結(jié)構(gòu)整體剛度較強(qiáng)，自振周期較小；3)結(jié)構(gòu)振型主要表現(xiàn)為大跨大懸臂處的豎向振動(dòng)，懸臂端振幅較大；4)局部振型不明顯。

空間鋼結(jié)構(gòu)除要考慮強(qiáng)度問題外，還要考慮穩(wěn)定失穩(wěn)問題[6]。在1.0恒載+1.0活載組合工況下計(jì)算鋼結(jié)構(gòu)的屈曲模態(tài)，表1中給出了前8階及第29階的線性屈曲臨界荷載系數(shù)，圖7給出了第1、29階等典型代表線性屈曲模態(tài)圖。結(jié)果表明，結(jié)構(gòu)第1階線性荷載系數(shù)為13.01，大于10；屈曲模態(tài)分布密集，主要表現(xiàn)為懸挑檐口的局部屈曲失穩(wěn)，第29階才開始出現(xiàn)較大范圍的整體屈曲失穩(wěn)，此時(shí)臨界荷載系數(shù)為21.05。表明結(jié)構(gòu)整體性較好，不因個(gè)別桿件或部位屈曲而失穩(wěn)，結(jié)構(gòu)仍能繼續(xù)承擔(dān)荷載，保證結(jié)構(gòu)安全。

4.2 水平地震剪力響應(yīng)分配

通過統(tǒng)計(jì)地震工況下柱腳剪力的分配結(jié)果可知，落地桁架的剛度大，地震剪力響應(yīng)占比超過60%，V形支撐次之，地震剪力響應(yīng)占比約30%，兩者合計(jì)占比超90%，而直鋼柱雖數(shù)量多但總剛度較小，地震剪力響應(yīng)占比不足10%，結(jié)果與第3.2節(jié)設(shè)定的水平荷載傳遞路徑相一致，具體計(jì)算結(jié)果見表2及圖8，圖中灰色代表直鋼柱或V形支撐根部的剪力，紅色代表落地桁架的各桿件的總剪力。

表2 各構(gòu)件水平地震剪力響應(yīng)/kN

4.3 小震與風(fēng)對比分析

本項(xiàng)目位于8度區(qū)，場地分組為第二組，場地類別為Ⅲ類，屬于沿海強(qiáng)風(fēng)、臺風(fēng)易發(fā)的高烈度地區(qū)，地震作用與風(fēng)荷載都比較大，有必要進(jìn)行專門分析，探明結(jié)構(gòu)控制荷載。選取小震作用(X向地震、Y向地震、Z向地震分別對應(yīng)工況G1、G2、G3)與風(fēng)洞試驗(yàn)推薦的4個(gè)風(fēng)向角的等效靜風(fēng)荷載(分別對應(yīng)工況G4、G5、G6、G7)進(jìn)行反應(yīng)譜分析，對比懸臂桁架檐口端部位置(圖2中1～4號點(diǎn))的豎向變形與入口拱桁架拱腳位置(圖2中拱腳A、B、C、D)的軸力，具體對比結(jié)果見表3、4。

表3 懸臂桁架端部變形對比/mm

表4 拱桁架拱腳軸力對比/kN

結(jié)果表明，風(fēng)荷載作用下懸臂端豎向變形是小震作用下的1.7(2號點(diǎn)，G4/G1)～2.9(3號點(diǎn)，G4/G1)倍，風(fēng)荷載作用下拱桁架拱腳軸力是小震作用下的2.4(拱腳B，G4/G1)～3.9(拱腳D，G4/G1)倍，均為風(fēng)荷載控制。因此對沿海強(qiáng)臺風(fēng)地區(qū)的建筑結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)高度重視風(fēng)荷載作用分析。

4.4 溫度作用分析

體育場鋼屋蓋結(jié)構(gòu)單體長度298m，外周圈長度超過650m，且設(shè)有兩處巨型落地拱桁架，結(jié)構(gòu)體量大，整體不設(shè)縫，考慮溫度效應(yīng)是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵點(diǎn)之一。以入口拱桁架下弦桿件為例，恒載+活載標(biāo)準(zhǔn)組合工況下產(chǎn)生的軸力為8 561kN，整體升溫30℃工況下產(chǎn)生的軸力為5 439kN，溫度效應(yīng)的占比已經(jīng)高達(dá)39%，因此有必要對溫度作用進(jìn)行專項(xiàng)研究。

溫度作用的輸入有兩個(gè)關(guān)鍵參數(shù)，一是結(jié)構(gòu)使用階段的溫度，二是結(jié)構(gòu)合攏溫度。對于有金屬屋面系統(tǒng)覆蓋的鋼結(jié)構(gòu)的溫度作用需要考慮屋面層的隔熱作用，為驗(yàn)證金屬屋面隔熱效果及合理確定鋼結(jié)構(gòu)溫度作用，在現(xiàn)場進(jìn)行了實(shí)測，半個(gè)月內(nèi)溫度實(shí)測曲線見圖9。從實(shí)測結(jié)果看，裝飾板最高溫度為57℃，鋼結(jié)構(gòu)上弦溫度為27℃，溫度相差30℃，表明經(jīng)過空腔氣流層、屋面保溫層的隔熱后，主體鋼結(jié)構(gòu)表面溫度已大幅降低(38%～52%)，因此，對于非直接暴露的主體鋼結(jié)構(gòu)，溫度變化規(guī)律與當(dāng)?shù)貧庀鬁囟?氣象局公布的溫度)變化規(guī)律基本一致，表明有屋面結(jié)構(gòu)覆蓋的鋼結(jié)構(gòu)使用階段的溫度取值可參考當(dāng)?shù)貧庀鬁囟然蛘哌x用荷載規(guī)范中提供的地區(qū)基本氣溫作為溫度取值。

根據(jù)《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》(DBJ 15-101—2014)[4]，汕頭地區(qū)最低基本氣溫為6℃，最高基本氣溫為35℃，同時(shí)根據(jù)對氣溫變化比較敏感的金屬結(jié)構(gòu)要考慮晝夜氣溫變化的影響對基本氣溫進(jìn)行修正，其基本氣溫宜根據(jù)地理位置增加或降低4～6℃，本項(xiàng)目統(tǒng)一取5℃。均勻溫度作用的標(biāo)準(zhǔn)值應(yīng)按式(1)確定：

ΔTk=Ts-T0

(1)

式中：Ts為修正后基本氣溫；T0為鋼結(jié)構(gòu)施工的合攏溫度。

設(shè)計(jì)時(shí)無法準(zhǔn)確預(yù)估最終施工合攏溫度，但應(yīng)選擇一個(gè)合理的合攏溫度區(qū)間值，保證全年可以合攏施工。為比較不同合攏溫度下溫度作用的影響，共計(jì)算了7個(gè)算例進(jìn)行對比，溫度取值情況見表5。選取入口拱桁架不同部位的8根桿件軸力進(jìn)行對比分析(編號位置見圖2(b))，以算例1為基準(zhǔn)進(jìn)行對比，不同合攏溫度下軸力比結(jié)果如圖10所示。

表5 不同合攏溫度算例取值

計(jì)算結(jié)果表明：1)在降溫工況下，最終溫差隨合攏溫度升高而增大，桿件軸力相應(yīng)增大。2)在升溫工況下，最終溫差隨合攏溫度升高而減小，桿件軸力相應(yīng)減小。3)在均勻溫度場作用下，升溫工況溫度作用可統(tǒng)一取30℃進(jìn)行設(shè)計(jì)，結(jié)果偏保守；降溫工況溫度作用取30℃進(jìn)行設(shè)計(jì)，可滿足大部分合攏溫度區(qū)段要求，如果現(xiàn)場合攏溫度超過30℃，應(yīng)當(dāng)按實(shí)際溫度復(fù)核計(jì)算。本項(xiàng)目最終施工的合攏溫度為27℃，在設(shè)計(jì)工況的溫度區(qū)段內(nèi)。

4.5 柱內(nèi)預(yù)應(yīng)力拉索與減振支座

體育場西看臺部分區(qū)域建筑師希望實(shí)現(xiàn)鋼柱纖細(xì)、空間通透、屋面檐口輕薄的效果(圖11)，鋼柱高度在20～26.5m之間。通過對挑蓬結(jié)構(gòu)的受力機(jī)理(圖12)分析可知，尾部鋼柱在恒、活載等常態(tài)工況下處于受拉狀態(tài)，在強(qiáng)風(fēng)吸工況下，尾部柱可能會出現(xiàn)受壓狀態(tài)。因此要實(shí)現(xiàn)鋼柱纖細(xì)效果，關(guān)鍵是要減小柱子壓力，甚至不讓其受壓。在柱內(nèi)引入預(yù)應(yīng)力拉索+彈簧阻尼復(fù)合減振支座[7]的來實(shí)現(xiàn)建筑效果，支座布置及節(jié)點(diǎn)大樣示意如圖13所示。支座的主要參數(shù)：彈簧組總剛度為10kN/mm，阻尼器設(shè)計(jì)速度為150mm/s，設(shè)計(jì)阻尼系數(shù)為6kN·s/mm。

根據(jù)傳力路徑，從結(jié)構(gòu)張拉成形開始，對結(jié)構(gòu)全過程受力狀態(tài)進(jìn)行跟蹤分析，驗(yàn)證受力狀態(tài)是否符合設(shè)計(jì)設(shè)想。整個(gè)受力過程如下：先對索進(jìn)行初始張拉，控制索力；鋼結(jié)構(gòu)卸載，內(nèi)力第一次調(diào)整轉(zhuǎn)變；屋面安裝完成，內(nèi)力第二次調(diào)整，此時(shí)鋼結(jié)構(gòu)處于正常使用狀態(tài)；強(qiáng)風(fēng)環(huán)境下，內(nèi)力第三次調(diào)整；強(qiáng)風(fēng)過后，鋼結(jié)構(gòu)恢復(fù)正常使用狀態(tài)。2號、5號、8號柱的受力過程見表6，可見結(jié)構(gòu)全生命周期內(nèi)索均處于受拉狀態(tài)，支座(彈簧、鋼柱)處于受壓或受拉狀態(tài)，符合設(shè)計(jì)設(shè)想。

表6 柱的受力過程/kN

根據(jù)風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果獲取得到風(fēng)荷載時(shí)程并進(jìn)行施加，采取分區(qū)分片的原則，按每個(gè)監(jiān)測點(diǎn)的影響面積將其風(fēng)荷載時(shí)程輸入到模型中，對模型進(jìn)行非線性時(shí)程分析。減振前后計(jì)算分析結(jié)果對比如圖14所示。

結(jié)果表明，減振后在風(fēng)激勵(lì)時(shí)程作用下，鋼柱的軸壓力明顯減小，由最大值202kN減小到59kN，減小率達(dá)到70%；懸臂桁架懸挑端的豎向加速度、豎向位移均有輕微增加，但增加幅度較少。柱內(nèi)預(yù)應(yīng)力拉索+彈簧阻尼復(fù)合減振支座的組合還具有下述優(yōu)點(diǎn)：拉索隱藏柱內(nèi)部，外觀簡潔，能提高拉索的耐久性，減少維護(hù)成本。拉力由拉索承擔(dān)，充分利用拉索高強(qiáng)抗拉性能，減小下部柱截面。強(qiáng)風(fēng)吸下，利用彈簧阻尼支座實(shí)現(xiàn)消能減振的作用，通過調(diào)整彈簧剛度和阻尼參數(shù)，調(diào)節(jié)對結(jié)構(gòu)柱的壓力。對拉索施加預(yù)拉力，可較精細(xì)地控制挑篷前端的撓度。

4.6 考慮拉索+彈簧阻尼支座的防連續(xù)倒塌分析

柱內(nèi)預(yù)應(yīng)力拉索+彈簧阻尼支座系統(tǒng)對維持鋼結(jié)構(gòu)屋蓋穩(wěn)定、防止整體傾覆起關(guān)鍵作用，一旦某拉桿系統(tǒng)失效，可能引起相鄰系統(tǒng)的失效，從而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)整體倒塌。根據(jù)拆除構(gòu)件思想[8-9]，采用非線性動(dòng)力分析方法，對拉桿系統(tǒng)連續(xù)失效的結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，研究彈簧阻尼支座對結(jié)構(gòu)抗連續(xù)倒塌性能的影響。

根據(jù)內(nèi)力分組情況，共進(jìn)行7次拆除，第n次拆除編號為n的拉桿系統(tǒng)，拆除分組如圖15所示。根據(jù)工程實(shí)際需求，第1～5組的拉桿系統(tǒng)為彈簧阻尼支座拉桿系統(tǒng)，第6、7組拉桿系統(tǒng)為不含內(nèi)穿拉索和彈簧阻尼支座的的普通鋼拉桿系統(tǒng)。設(shè)置3種拉桿系統(tǒng)連續(xù)失效工況進(jìn)行對比：工況1假定阻尼器為剛性桿，整組拉桿系統(tǒng)一次拆除，持時(shí)20s進(jìn)行下一組拉索系統(tǒng)拆除；工況2假定阻尼器為剛性桿，分步拆除：先拆除預(yù)應(yīng)力拉索，持時(shí)10s后拆除拉桿和彈簧阻尼支座，持時(shí)10s后進(jìn)行下一組拉桿系統(tǒng)拆除；工況3在工況2的基礎(chǔ)上，考慮彈簧阻尼支座的彈簧剛度和黏滯阻尼作用。3種工況下第6、7組拉桿系統(tǒng)均為一次拆除，拆除后持時(shí)10s。

所有拉桿系統(tǒng)拆除過程中，3種工況下結(jié)構(gòu)的應(yīng)變能時(shí)程曲線如圖16所示。從圖16可以看出，在第1、2組拉桿系統(tǒng)拆除后，3種工況下結(jié)構(gòu)應(yīng)變能整體相差不大。在第3組拉桿系統(tǒng)拆除后，3種工況下結(jié)構(gòu)內(nèi)力重分布的狀態(tài)發(fā)生了改變。第1、2拆除組均只拆除1組拉桿系統(tǒng)，剩余拉桿系統(tǒng)對主體結(jié)構(gòu)仍然有較強(qiáng)的約束作用。當(dāng)?shù)?組拆除后，拉桿系統(tǒng)豎向約束減弱，結(jié)構(gòu)振動(dòng)幅度明顯增大。彈簧阻尼支座產(chǎn)生滯回變形，耗散能量，減小了結(jié)構(gòu)應(yīng)變能的變化幅度，減小了桿件分擔(dān)的能量，使得構(gòu)件內(nèi)力均勻變化。

為進(jìn)一步對比非線性動(dòng)力分析方法與靜力分析方法計(jì)算結(jié)果的差異，提取3種工況和靜力分析方法下，拉桿系統(tǒng)拆除過程中支座腹桿的應(yīng)力時(shí)程曲線，如圖17所示。從圖17可以看出，采用非線性動(dòng)力分析方法得到關(guān)鍵構(gòu)件應(yīng)力曲線隨時(shí)間增長而變化，最后趨于穩(wěn)定，靜力分析方法得到的是定值。隨著拉桿系統(tǒng)的拆除，彈簧阻尼支座的減振優(yōu)勢越發(fā)明顯，特別是在第4組。工況2考慮鋼柱的剛度效應(yīng)，在分步拆除時(shí)支座腹桿應(yīng)力二次猛增，加劇結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，可以認(rèn)為，二次拆除才是工況2真正意義上的拉桿系統(tǒng)失效。彈簧阻尼支座的阻尼單元消耗部分能量，彈簧單元使結(jié)構(gòu)動(dòng)能與彈簧彈性勢能相互轉(zhuǎn)換，桿件內(nèi)力在動(dòng)態(tài)過程中緩慢分布，避免在分步拆除過程中應(yīng)力出現(xiàn)二次猛增的不利影響，也使得構(gòu)件應(yīng)力變化幅度小于工況1。

構(gòu)件拆除后，結(jié)構(gòu)立即進(jìn)入運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，結(jié)構(gòu)動(dòng)能、應(yīng)變能、懸挑端位移、支座腹桿應(yīng)力均在拆除瞬間陡增，達(dá)到峰值后逐步減小，并隨時(shí)間反復(fù)振蕩，最后趨于穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)重新達(dá)到穩(wěn)定平衡；拉桿系統(tǒng)拆除過程中，最大應(yīng)力在3種工況下分別為381、384、383MPa，小于極限抗拉強(qiáng)度470MPa，桿件未失效，表明結(jié)構(gòu)整體抗連續(xù)倒塌能力強(qiáng)。

4.7 旋轉(zhuǎn)懸吊鋼坡道舒適度控制

體育場南側(cè)設(shè)有一道從二層平臺通往屋面的旋轉(zhuǎn)鋼坡道(圖18)，坡道通過懸臂梁與鋼柱連接、通過懸吊桿與屋面鋼結(jié)構(gòu)連接，根據(jù)模態(tài)分析可知結(jié)構(gòu)在豎向方向上存在1個(gè)薄弱位置，對應(yīng)的第1豎向振型(圖19)頻率為4.8Hz，雖已滿足規(guī)范大于3Hz的要求，但考慮到本懸吊坡道特殊造型，對人的行動(dòng)荷載較為敏感，人群活動(dòng)下可能產(chǎn)生較大的振動(dòng)，使人感覺不適，因此需要進(jìn)行舒適度分析[10]。

行人行走荷載具有復(fù)雜性和隨機(jī)行，選用國際橋梁和結(jié)構(gòu)工程協(xié)會建議的步行荷載模型，計(jì)算頻率為1.4Hz(慢走)和2.4Hz(快跑)，振動(dòng)幅度區(qū)域?yàn)?m2，人員密度為0.5人/m2，換算等效人數(shù)后考慮兩人可能發(fā)生同步頻、同相位行走的工況，經(jīng)初步分析，兩種工況下加速度均不滿足要求?？紤]采用調(diào)諧質(zhì)量阻尼器(TMD)進(jìn)行舒適度控制[11-13]，經(jīng)過優(yōu)化計(jì)算，在結(jié)構(gòu)的薄弱位置共布置4個(gè)TMD，具體參數(shù)見表7。

表7 TMD參數(shù)

人員密度為0.5人/m2，設(shè)置TMD前后鋼坡道的振動(dòng)加速度峰值見表8。由計(jì)算結(jié)果可知，當(dāng)人行激勵(lì)與結(jié)構(gòu)頻率成倍數(shù)關(guān)系的時(shí)候，結(jié)構(gòu)出現(xiàn)明顯的共振現(xiàn)象，結(jié)構(gòu)的加速度較大，當(dāng)無TMD慢走時(shí)，鋼坡道的最大振動(dòng)加速度響應(yīng)為195mm/s2，超過規(guī)范限值150mm/s2；當(dāng)無TMD快跑時(shí)，加速度響應(yīng)為804mm/s2，超過規(guī)范限值500mm/s2。當(dāng)有TMD時(shí)，結(jié)構(gòu)的加速度響應(yīng)得到明顯控制，慢走和快跑兩種工況下的振動(dòng)加速度峰值分別為125、333mm/s2，均滿足規(guī)范要求，減振率分別為35.8%和58.6%，表明TMD可有效控制結(jié)構(gòu)振動(dòng)，使結(jié)構(gòu)滿足舒適度需求。

表8 有無TMD鋼坡道的振動(dòng)加速度峰值

5 結(jié)論

(1)本工程鋼結(jié)構(gòu)采用倒三角桁架+拱桁架的空間結(jié)構(gòu)體系，自振頻率密集，整體穩(wěn)定性較好。

(2)結(jié)構(gòu)概念設(shè)計(jì)中設(shè)定傳力路徑，進(jìn)行力流分析，力爭傳力直接，路徑短，使結(jié)構(gòu)受力更合理，是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵工作。

(3)在強(qiáng)臺風(fēng)、高地震烈度區(qū)進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，需要分清控制工況，有針對性采取措施。

(4)對于超長、超大的結(jié)構(gòu)，溫度作用需重點(diǎn)關(guān)注，通過現(xiàn)場實(shí)測或數(shù)值模擬的方式合理確定溫度取值，無相關(guān)資料時(shí)可參考規(guī)范值取值，同時(shí)施工合攏溫度對鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)影響較大，設(shè)計(jì)時(shí)需充分考慮。

(5)對大懸臂挑蓬尾部柱引入柱內(nèi)預(yù)應(yīng)力拉索+彈簧阻尼復(fù)合支座，結(jié)構(gòu)力流明晰，同時(shí)可實(shí)現(xiàn)較好的減振效果。

(6)采用非線性動(dòng)力法對結(jié)構(gòu)進(jìn)行防連續(xù)倒塌分析是必要的，結(jié)構(gòu)表明采用彈簧阻尼支座后，本結(jié)構(gòu)整體抗連續(xù)倒塌能力強(qiáng)。

(7)對旋轉(zhuǎn)懸吊鋼坡道采用TMD進(jìn)行舒適度控制，可以有效控制結(jié)構(gòu)振動(dòng)。