大跨度楼盖竖向振动舒适度的设计.doc

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摘要：近些年，我国地铁建设日新月异，地铁附属开发逐渐成为一种新的开发模式。由于地铁的制约，其附属商业开发出现很多大跨度建筑。在使用中，人的活动引起楼板竖向振动的控制对于建筑物的正常使用状态，是一个十分关键的因素，楼板振动问题是一个人机工程学和结构工程学的交叉课题，人对楼板振动的反应与振动大小、人自身的活动状态、人的心理反应都有关系。但我国目前还没有相应的控制目标、计算方法及相应规范。美国钢结构协会（ＡＩＳＣ），国际桥梁协会（ＩＡＢＳＥ），日本建筑协会都研究了人群活动引起的楼板振动计算及振动引起的舒适度问题，但由于各种国内外技术水平和经济实力的差异，这些方法在实际应用中存在很多问题。本文通过对一个具体工程，对大跨度建筑在使用状态下，楼盖竖向振动舒适度的设计方法进行研究，参考国外资料，提出一个实用的控制目标和计算方法，可以在大跨楼盖设计中进行推广。
关键词：舒适度；楼盖振动；振动控制

承重结构设计应按承载能力极限状态和正常使用极限状态进行设计，正常使用极限状态包括：影响结构、构件正常使用或外观的变形，影响正常使用的振动，影响正常使用或耐久性能的局部破坏。振动引发的问题主要有共振问题和舒适度问题。
随着我国经济发展，建筑物舒适度的要求已经逐步成为一个重要的设计环节。尤其是大跨度的体育类建筑，人群活动下楼盖竖向振动对运动和比赛成绩会有很大影响。楼板振动问题是一个人机工程学和结构工程学的交叉课题，人对楼板振动的反应与振动大小、人自身的活动状态、人的心理反应都有关系。我国现行规范标准还没有这方面的规定。美国钢结构协会（ＡＩＳＣ），国际桥梁协会（ＩＡＢＳＥ），日本建筑协会都研究了人群活动引起的楼板振动计算及振动引起的舒适度问题，但由于各种国内外技术水平和经济实力的差异，这些方法在实际应用中存在很多问题。
位于重要道路旁边的建筑，内部有振动设备的建筑也会有舒适度的问题，但都不在本文讨论范围。人行引起振动，群体性有节奏运动引起的振动是本文讨论的内容，对舒适度进行计算要解决几个主要问题：１）荷载如何确定？２）楼板的相应是动态的，是否要进行动力计算：３）设计准则及计算工具。
本文主要从三个角度考虑楼板振动问题：１）根据国内外资料及工程实例，寻找建筑舒适度要求的振动控制参数及其限值，即控制目标（如响应加速度、最大振幅、自振频率等）；２）振动控制参数的计算方法，主要是时程分析法建筑激励函数的取法和加载方式。３）实际工程算例。

１舒适度要求的控制目标
参考国内外相关标准及参考文献和设计手册，目前主要的控制目标有：
１．１修正的Ｒｅｉｈｅｒ－Ｍｅｉｓｔｅｒ曲线
根据ＡＩＳＣＳｔｅｅｌＤｅｓｉｇｎＧｕｉｄｅＳｅｒｒｉｅｓ，ｎｏ．１１．楼板预期的振动表现可以通过以下方法来分析：计算楼板的第一自振频率与振幅（振幅通过测试楼板受到小锤冲击的挠度获得），并将结果绘于修正的Ｒｅｉｈｅｒ－Ｍｅｉｓｔｅｒ曲线上，就可以确定振动的可感知程度。一般来说，接近或者超过“明显感知”范围上限的情况应该避免。

许多研究者已经证实，修正的Ｒｅｉｈｅｒ－Ｍｅｉｓｔｅｒ曲线对于预测混凝土板（包括压型钢板组合楼盖系统）的振动感知是很精确的。
１．２ＡＴＣ（ＡｐｐｌｉｅｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＣｏｕｎｃｉｌ）ＤｅｓｉｇｎＧｕｉｄｅ１
结合结构力学相关知识可知，结构的质量越大，越难以激励，结构的自振频率越近于干扰频率将发生共振，其幅值大小取决于结构的阻尼比。参考美国ＡＴＣ１９９９年发布的《减小楼板振动》指南，人对楼盖振动的感觉又与楼盖振动的大小和持续时间有关，也与人所处的环境和所从事的活动有关，与人的生理反应有关，不同环境、不同振动频率下，人们舒适度可以接受的楼盖振动加速度如图２所示。

舒适度可接受的楼盖加速度限值如下表１所示。

按楼盖有效质量分为轻、中、重三种楼盖来考虑结构质量对动力反应的影响，按人类所处的不同环境和从事的活动来考虑干扰力和干扰频率对动力反应的影响，并由此确定不同场所，不同楼盖质量情况下结构自振频率的合理范围，以控制楼盖振动对人体舒适度的影响。
对地铁附属建筑中常用的楼盖结构形式钢－混凝土组合楼盖结构，按人行走荷载与人有节奏运动两种情况，控制目标分别如下。
人行走荷载下：
１）竖向自振频率控制
为了避免因少量人员跳跃引起的钢－混凝土楼盖结构不利的共振响应，钢－混凝土楼盖结构的竖向自振频率一般应该满足
ｆｎ≥３Ｈｚ
的要求，如果不满足，应进行专门的评估：
２）峰值加速度控制人行走引起的楼盖振动的峰值加速度ａｐ计算和限值如下：

式中，ｐ０ｅ－０．３５ｆｎ为接近楼盖结构自振频率时，人们行走产生的作用力（ｋＮ），β为振型阻尼比，Ｗ为楼盖有效阻抗重量（ｋＮ），βＷ为楼盖对人员行走的阻抗，ａ０为楼盖振动峰值加速度限值（ｍ／ｓ２）。