武漢某辦公大樓樓板舒適度測(cè)試分析

徐迪 孫森

現(xiàn)代辦公建筑通常采用大跨度的樓板結(jié)構(gòu)體系去實(shí)現(xiàn)自由組合空間和開闊的效果。而此類結(jié)構(gòu)體系因?yàn)槿巳恨k公集中，在人類生產(chǎn)活動(dòng)中產(chǎn)生的荷載作用下很容易引起結(jié)構(gòu)振動(dòng)舒適度的問題，振動(dòng)嚴(yán)重的會(huì)影響到建筑使用功能甚至帶來安全隱患。因此，建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對(duì)樓板體系進(jìn)行舒適度驗(yàn)算分析，建筑結(jié)構(gòu)發(fā)現(xiàn)異常振動(dòng)時(shí)對(duì)樓板體系進(jìn)行舒適度驗(yàn)算分析復(fù)核及振動(dòng)實(shí)測(cè)顯得十分重要。本文采用Midas Gen對(duì)武漢市某辦公大樓的樓板舒適度進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析，結(jié)合東華結(jié)構(gòu)動(dòng)力測(cè)試設(shè)備對(duì)樓板的舒適度實(shí)則值進(jìn)行評(píng)價(jià)。

一、舒適度評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

國內(nèi)外通行兩種舒適度評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，一種是基于頻率限值，另外一種基于加速度限值。下面對(duì)我國相關(guān)規(guī)范的常見評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)概括如下：

1.頻率控制

國際標(biāo)準(zhǔn)ISO 10137/ATC-40主要是用來預(yù)測(cè)估計(jì)和分析建筑結(jié)構(gòu)中的振動(dòng)程度，從而評(píng)估建筑結(jié)構(gòu)的振動(dòng)特性。ATC1999年的《減少樓板振動(dòng)》指出，樓板振動(dòng)的幅度、振動(dòng)時(shí)間、不同的建筑使用環(huán)境和人類活動(dòng)都會(huì)影響振動(dòng)舒適度。圖1所示不同的建筑環(huán)境和人類活動(dòng)下，人類體感舒適度可接受的樓板振動(dòng)峰值加速度水平。

圖1 人類體感舒適度可接受的樓板振動(dòng)峰值加速度水平

為了避免共振，確保一定水平的舒適度，綜合現(xiàn)行CJJ69-95《城市人行天橋與人行地道技術(shù)規(guī)范》第2.5.4條，JGJ3-2010《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)范》第3.7.7條，GB50010-2010《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》第3.4.6的不同要求：天橋上部結(jié)構(gòu)、建筑樓蓋、大跨度的公共建筑豎向自振頻率限值為3Hz，辦公樓及旅館豎向自振頻率限值為4Hz，住宅與公寓豎向自振頻率限值為5Hz。

2.加速度控制

JGJ3-2010《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)范》對(duì)樓蓋豎向振動(dòng)加速度峰值相關(guān)規(guī)定如表1所示，當(dāng)樓蓋豎向自振頻率介于2～4Hz之間，峰值加速度限值可線性插值。

表1 加速度限值（m/s2）

《組合樓板設(shè)計(jì)與施工規(guī)范》JGJ3-CECE 273：2010第4.2.4條通過限值振動(dòng)峰值加速度與重力加速度之比來表征樓板舒適度的要求。當(dāng)建筑結(jié)構(gòu)為健身房、舞廳或手術(shù)室等其他功能房屋或存在結(jié)構(gòu)豎向自振頻率小于3Hz或大于8Hz的情況都需要應(yīng)做專門研究和論證。

表2 振動(dòng)峰值加速度ap/g限值

二、工程概況

武漢某企業(yè)總部辦公大樓位于市郊區(qū)，框架剪力墻結(jié)構(gòu)，設(shè)2層地下室，單塔結(jié)構(gòu)，塔樓最高處地上24層，設(shè)5層裙房，建筑檐口高度為99.7m，。裙樓部分設(shè)有鋼結(jié)構(gòu)夾層，結(jié)構(gòu)平面立面布置如圖2所示?；炷翂?、柱、板構(gòu)件的混凝土隨樓層不同強(qiáng)度等級(jí)介于C30到C50，鋼結(jié)構(gòu)柱、板鋼材為Q345B或Q235B。因該建筑頂層有人為感知的樓板振動(dòng)，受委托，我單位對(duì)該總部大廈進(jìn)行了動(dòng)力測(cè)試數(shù)據(jù)采集工作。

圖2 大樓整體有限元模型

三、動(dòng)力特性分析

采用Midas Gen軟件建立樓蓋的有限元模型加人行荷載進(jìn)行舒適度分析，三層3-4-F-G板樓蓋有限元模型如圖3所示。

圖3 18層3-4-F-G板樓蓋有限元模型

樓蓋有限元模型參數(shù)：

（1）對(duì)整棟大樓的局部樓蓋建立模型分析可以提高分析的效率和精度。

（2）阻尼一般為0.02～0.05。

（3）樓面荷載。樓板恒荷載取3.5kN/m2，樓屋面面活荷載取2.0kN/m2。

（4）混凝土彈性模量取靜荷載作用下的1.2倍即3.0×104N/m2。

（5）邊界條件：模型底部固接。

經(jīng)模態(tài)計(jì)算，結(jié)果如表3所示。

表3 結(jié)構(gòu)主要豎向頻率

經(jīng)計(jì)算分析，樓板中點(diǎn)豎向自振頻率為3.96Hz，位移譜峰值為44.32mm/s2。

四、實(shí)測(cè)峰值加速度

環(huán)境隨機(jī)激振法俗稱脈動(dòng)法，其本質(zhì)是利用建筑物或橋梁等結(jié)構(gòu)使用環(huán)境中的風(fēng)、人行荷載、機(jī)械振動(dòng)等自然因素產(chǎn)生一個(gè)天然寬頻的激振源，當(dāng)環(huán)境中的某個(gè)外界激振頻率與結(jié)構(gòu)本身的固有頻率比較接近，會(huì)引起共振，通過儀器測(cè)試采集數(shù)據(jù)并分析大樣本的數(shù)據(jù)得到結(jié)構(gòu)物的固有頻率等特性。為了得到一個(gè)足夠?qū)掝l的激振頻率，每次采集數(shù)據(jù)需要采取較長(zhǎng)一段時(shí)間以確保這段時(shí)間內(nèi)存在足夠多激振頻率。脈動(dòng)記錄過程應(yīng)避免規(guī)則的干擾。在本次樓板測(cè)試中為了保證測(cè)試區(qū)域能接收到隨機(jī)的環(huán)境激勵(lì)包含足夠多的頻率，每次采樣時(shí)間為四十分鐘左右長(zhǎng)的一個(gè)小時(shí)，采樣頻率設(shè)置為80～100Hz。本次采集大樓動(dòng)力特性的儀器為東華DH3822，測(cè)試十八層3-4-G-H板豎向基頻圖如4所示。18層樓板測(cè)試數(shù)據(jù)如下表4：

表4 振動(dòng)數(shù)據(jù)實(shí)測(cè)值

圖4 十八層3-4-G-H板豎向基頻圖

從測(cè)試數(shù)據(jù)可以看出，在自然工況狀態(tài)下，企業(yè)總部辦公大樓所測(cè)測(cè)點(diǎn)豎向自振頻率在4.00～5.42Hz之間，振動(dòng)加速度在4.35～34.7mm/s2之間；周邊道路豎向自振頻率在10.25～10.28Hz之間，振動(dòng)加速度在4.82～10.53mm/s2之間；在自然工況狀態(tài)下，企業(yè)總部辦公大樓所測(cè)測(cè)點(diǎn)水平向自振頻率在1.66～2.78Hz之間，振動(dòng)加速度在0.55～5.31mm/s2之間。

五、結(jié)論

（1）舒適度分析是必要的。房屋結(jié)構(gòu)不同，其振動(dòng)特性是不同的。通過建模分析及時(shí)調(diào)整結(jié)構(gòu)，防止結(jié)構(gòu)樓板舒適度不夠的情況出現(xiàn)，設(shè)計(jì)階段發(fā)現(xiàn)問題可以及時(shí)解決，以免房屋建成后因房屋舒適度不夠而改造房屋造成經(jīng)濟(jì)損失。

（2）建筑結(jié)構(gòu)發(fā)現(xiàn)異常振動(dòng)時(shí)對(duì)樓板體系進(jìn)行舒適度驗(yàn)算分析復(fù)核及振動(dòng)實(shí)測(cè)顯得十分重要，可以迅速找出問題所在并及時(shí)解決。

（3）通過Midas Gen模態(tài)分析得到自振頻率和東華動(dòng)力測(cè)試的結(jié)果相近，模態(tài)分析得到的建筑自振頻率為3.96Hz，實(shí)測(cè)自振頻率為4.05Hz。該建筑不同部位的豎向自由振動(dòng)頻率符合現(xiàn)行規(guī)范要求。

六、結(jié)語

現(xiàn)代辦公建筑通常采用大跨度的樓板結(jié)構(gòu)體系去實(shí)現(xiàn)自由組合空間和開闊的效果。而此類結(jié)構(gòu)體系因?yàn)槿巳恨k公集中，在人類生產(chǎn)活動(dòng)中產(chǎn)生的荷載作用下很容易引起結(jié)構(gòu)振動(dòng)舒適度的問題，振動(dòng)嚴(yán)重的會(huì)影響到建筑使用功能甚至帶來安全隱患。本文采用Midas Gen對(duì)武漢市某辦公大樓的樓板舒適度進(jìn)行模態(tài)分析，結(jié)合東華動(dòng)力測(cè)試設(shè)備對(duì)樓板的舒適度進(jìn)行評(píng)價(jià)，證明該大樓樓板舒適度設(shè)計(jì)功能基本滿足使用要求，有效地停息了一些業(yè)主的恐慌心情。