第42卷第14期
2 0 1 6 年 5 月
山西建筑
SHANXI ARCHITECTURE
Vol. 42 No. 14May. 2016
文章编号：1009-6825 (2016) 14-0030-03
大跨度钢连廊舒适度分析
吕佳
(华东建筑设计研究院有限公司，上海200002)
摘要:介绍了人致楼板振动计算理论及舒适度评价标准，采用有限元分析软件，计算分析了某工程大跨度钢结构连廊的自振频
率和人行荷载下的加速度，结果表明:连廊自振频率和加速度响应都满足我国规范的限值要求。
关键词:连廊，大跨度，舒适度，时程分析
中图分类号:TU391 1
概述
随着我国大规模的土木建设，各类建筑拔地而起，建筑楼盖 中的振动舒适性问题越来越引起人们的重视，且楼盖的舒适性问 题若出现在工程竣工后，则解决的难度和代价往往很大[1]。
本文采用有限元分析软件对大跨度钢结构连廊的自振频率 和人行荷载下的加速度进行了计算，结果显示连廊自振频率和加 速度响应都满足我国规范的限值要求。
2人致楼板振动计算理论及舒适度评价标准
2.1 人行激励力计算理论
自从20世纪70年代，国外一些学者就已对振动舒适度问题
进行了部分研究，但直到20世纪90年代开始，国内外专家才将舒 适度标准用于建筑结构的楼板设计。人致楼板振动舒适度由于 人行激励的复杂性、楼板振动模态的不确定性而导致此类标准的 确立将有一定的意义[2]。
大多数楼板由于人类活动或者设备振动等重复性荷载而引 起振动，而人类步行荷载由于步行位置变化以及作用力大小变化 使得确定楼板的激励荷载变得复杂，按照描述方法可以分为自激 励模型、傅立叶级数模型、随机模型。本文研究分析采用傅立叶 级数模型，公式如下：
F(t) = P[1 + ^^cos(27u/step^ + BSI5400[3]假设行人荷载为一个沿着桥梁结构纵向以I；= 0. 9/。（ m/s)勻速作用在桥梁结构上的动荷载，所取得单人竖向荷 载为： F(t) =180sin(27r/〇 (2) 其中，/为桥面竖弯频率;180 N的幅值相当于动载因子为 0.257(行人自重按700 N计）。 BSI 5400 (1978)未考虑人群荷载，而瑞典国家道路管理部门 颁布用于桥梁设计施工的通用技术规范Br〇2004[4]提出了以人群 荷载验算人行桥振动舒适性的规范，其规定竖向步行荷载为： F(t) = klk2sin(2Trft) (3) 其中A = 分别为桥面的宽度和跨径，取行人密 度为0.1人/m2，根号说明考虑了人群步伐不一致的影响先=150 N。国际桥梁和结构工程协会IABSE[5]给出的人行荷载傅立叶 级数模型运用较为广泛，其荷载曲线形式为： 3 F(t) = P[1 + ^^sin(2j7r/^ + ^> - ^ ) ] (4) i = l 收稿日期=2016-03-04 作者简介：吕佳（1984-)，男，博士，工程师 A 其中，P为行人体重;/为步行频率;a2 = a3 =0. 1;^ = 1， 外=p3 = tt/2〇 不同规范提出的人行激励模型适用条件各有不同，目前运用 的比较多的主要是IABSE提出的人行激励时程曲线。 2.2舒适度评价方法及标准 1) 中国规范相关规定。国内规范主要采用频率调整法以及 限制加速度来评价楼板舒适度。JGJ 3 — 2010高层建筑混凝土结 构技术规程3.7. 7[6]规定了楼盖结构的竖向振动频率不宜小于 3 Hz，并对竖向振动加速度峰值的限值进行了规定。并在附录 A. 0.2规定了人行走引起的楼盖振动峰值加速度的近似计算方 法，公式如下： (5) FP =p〇^~〇'35fn (6) 式中----楼盖振动峰值加速度； Fp—接近楼盖结构自振频率时人行走产生的作用力；P〇---人们行走产生的作用力；fn—楼盖结构竖向自振频率；P—楼盖结构阻尼比； w— 楼盖结构阻抗有效重量； g— 重力加速度。 JGJ 99—98高层民用建筑钢结构技术规程7. 3. 8[7]对组合板 的自振频率有以下的近似计算公式，但不得小于15 Hz。 /=-0.- 178^2^ -(7) 其中^为永久荷载产生的挠度。2) 国外规范相关规定。国外的评价标准主要有（IS02631)、英国标准BS6841/BS6472、加拿大协会标准（CSA)和美国钢结构 协会(AISC 11)。 IS02631根据人体各部位受到的各个方向振动的影响而进行 了舒适度规定，BSI6841认为人体对振动的反应受振动方向、频率 的影响，BS6472规定在工厂和车间内楼盖竖向振动加速度峰值为6.6 cm/s2,并认为居室的振动环境应至少低于这个值。加拿大协 会标准(CSA)和美国钢结构协会(AISC 11)专门针对楼板的振动 问题提出舒适度评价准则。其中AISC 11针对行走激励给出了加 速度限值，具体如表1所示。 本文振动舒适度依据JGJ 3 —2010高层建筑混凝土结构技术 规程3.7.7进行评价，并同时采用AISC 11标准，采用表1所列的 加速度限值对连廊舒适度进行评价。 3工程实例分析 文献标识码: 第42卷第14期2 0 1 6年5月 表1 人员活动环境住宅楼、办公室 商场室内人行天桥室外人行天桥 吕佳:大跨度钢连廊舒适度分析 • 31 • 振动舒适度加速度限值 加速度限值0.005g0.015g0.015g0.05g 度约为0.29 cm/s2，均满足JGJ 3 — 2010高层建筑混凝土结构技 术规程的室内连廊的加速度限值〇. 166 m/s2,且满足AISC 11中 的加速度限值〇.〇15g。 3.1计算模型 基于人致楼板振动计算理论及舒适度评价标准，本文选取一 大跨度钢结构连廊进行舒适度分析。连廊中间跨度为27 m，左右 两边分别为悬挑16. 2 m和10. 8 m。连廊由高度为6. 5 m的混凝 a)第1阶 b)第2阶 土结构柱支撑，连廊高度为6.25 m。上下弦采用箱形截面450 X 400 x 20 x 20，腹杆采用箱形截面400 x 300 x 20 x 20，上下弦水平 支撑采用工字形截面450 x 200 x 10 x 20，上下弦水平斜撑采用工 字形截面250 x 200 x 10 x 12。钢材材性采用Q345，混凝土材料强 度等级为(30,板厚150 mm。舒适度设计质量源采用恒载、活载标 准组合。其中楼面恒荷载为6.35 kN/m2,活荷载为3.5 kN/m2,屋 面恒荷载为2 kN/m2，活荷载为0. 5 kN/m2。 结构三维模型见图1。 3.2舒适度分析 人致荷载激励模型采用IABSE提出的连续行走模型，目前虽 然较多规范提出了不同的人致激励模型，但人致荷载施加于结构 的方式，各规范并未作出详细规定。本文采用连续行走的方法， 将激励施加于楼板中竖向位移最大的节点，其中考虑人的重量为 0.7 kN，反复3次，时间间隔0.01 s，正常行走考虑频率为2 Hz，时 程分析阻尼比取为〇. 02，步行时程函数如图2所示。 1-1-0-I 0-0-0-9-0-8-0-7-6-5-4- 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 i/sec 图2人行时程函数 3.2.1自振频率 对连廊进行模态分析，连廊的前6阶模态如图3所示，第1阶 为横向平动，第2阶为扭转，第3阶为竖向平动。由图3可知，连 廊在第三阶悬挑端出现了竖向振动，模态频率为3. 53 Hz，满足 JGJ 3 — 2010高层建筑混凝土结构技术规程3. 7. 7规定的楼盖结 构竖向振动频率不宜小于3 Hz的规定。 3.2.2行走加速度时程分析 竖向荷载作用下，连廊的竖向最大变形位置出现在左跨悬挑 端，因此时程分析时人行荷载激励施加于最左端。楼面最左端、 跨中以及最右端的楼面加速度相应计算结果见图4。 由图4可知，在给定的人行荷载激励下，连廊的最大峰值加 速度发生在最大跨度悬挑左侧，峰值加速度约为1.26 cm/s2,跨 中楼板的峰值加速度约为0.16 cm/s2，连廊右侧楼板的峰值加速 图3 连廊前6阶振型图 0.0150.010.005 0 -0.005 - 0.01 -0.015 a)左端 b)跨中 C)右端 图4加速度相应结果 4 结论 本文讨论了各国规范的人行激励力计算模型，并对各国规范 所规定的舒适度评价标准及适用性进行了讨论，并依据人行激励 力计算理论和评价标准对某钢结构大跨度连廊进行舒适度分析。 分析结果表明： 1) 该大跨度连廊的竖向自振频率为3. 53 Hz，满足JGJ2010高层建筑混凝土结构技术规程规定的楼盖结构竖向振动频 率不宜小于3 Hz的规定。 2) 在连续行走模式下，连廊楼板的最大峰值加速度1.26 cm/s2，低于JGJ 3 — 2010高层建筑混凝土结构技术规程以及 AISC 11的加速度限值，满足舒适度要求。 参考文献： [1] 黄健，王庆扬，娄宇.基于国内外不同标准的人行天桥 舒适度设计研究[J].建筑结构，2008，38(8) : 106-110.[2] 杨小丁.复杂结构人行激励动力响应及舒适度研究[D].长 沙：中南大学土木工程学院硕士学位论文,2012. [3] British Standards Institution( BSI) , British standards specifi cation for loads ； steel, concrete and composite bridges, Part 2 3— 为 • 32 • 第42卷第14期 2 0 1 6 年 5 月 山西建筑 SHANXI ARCHITECTURE Vol. 42 No. 14May. 2016 文章编号：1009-6825 (2016) 14-0032-02 超高层建筑结构体系的类型分析 李卉 (正德职业技术学院，江苏南京210000) 摘要:结合超高层建筑的发展现状，从筒体结构体系、巨型结构体系、混合结构体系三方面，介绍了超高层建筑结构的常见类型， 并阐述了各种结构体系的特点，为超高层建筑结构的选型提供参考。 关键词:超高层建筑，结构体系，筒体结构，桁架结构 中图分类号:TU973 文献标识码:A 一，竖向荷载主要由框架和筒体共同承担，水平荷载主要由筒体 承担，主要适用于50层〜100层的超高层建筑。该结构类型又分 为框架一实腹筒体结构和框架一空腹筒体结构两种形式。例如 吉隆坡双子大厦采用的结构体系为框架一实腹筒体结构，我国的 郑州绿地中央广场(283 m)采用的结构体系为框架一核心筒。 2) 筒中筒结构。 〇引言 随着超高层建筑的发展，原有的框架、剪力墙或者框架一剪 力墙体系已经不能满足超高层结构的要求，随之发展的筒体结构 体系、巨型结构体系以及混合结构体系被广泛的应用于实际工 程中。 该结构类型由中央剪力墙内筒和周边外框筒组成或者外筒 随着科技进步、经济的发展，超高层建筑在城市中拔地而起， 采用框筒和内筒采用钢框筒或钢支撑框架组成，是双重抗侧力体 成为现代城市的标志，代表着城市的形象。根据1972年8月在美 系，在水平力作用下，内外筒协同工作，内筒可布置楼梯间、电梯 国伯利恒市召开的国际高层建筑会议上对高层建筑的定义，超高 间等服务设施，外筒则可安装立面玻璃幕墙。例如纽约世界贸易 层建筑即为超过40层或高度超过100 m的建筑。中心（110层，高412 m)即采用这种结构。 1894年美国纽约曼哈顿人寿保险大厦的落成标志着高层建筑 发展进入超高层建筑阶段。我国的超高层建筑发展始于1990年， 2002年一2006年，我国超高层建筑的建设速度平均约为74 (»/年。 根据相关数据统计，截至2012年，我国已经建成的超高层建筑共 计94幢。例如2008年8月29日竣工的位于上海陆家嘴的上海 环球金融中心，该金融中心地上101层，楼高492 m，截至2014年 时是中国第3高楼。根据相关文献的数据统计，2013年一2018年 之间我国将计划建成250 m以上的超高层建筑共计164幢，其中 300 m〜400 m超高层数量约占总数量的43%。 3) 束筒结构。 束筒结构也即组合筒结构，该结构类型将若干个筒组合成一 个整体，共同承担竖向和水平荷载。束筒结构可以组成任何建筑 外形，并能满足不同高度的体型组合的要求，例如美国芝加哥的 西尔斯大厦采用了 9个30 m X 30 m的框筒集束而成。 1超高层建筑的发展 2.2 巨型结构体系 巨型结构体系是由大型构件（巨型梁、巨型柱和巨型支撑）组 成的主结构与常规结构构件组成的次结构共同工作的一种结构 体系，其主结构为主要抗侧力体系，次结构只承担竖向荷载并将 力传给主结构。 1)巨型框架结构。该结构由一级结构即巨型柱与每隔若干 层设置一道1层〜2层楼高的巨型梁一起组成刚度极大的巨型框 架承受主要的水平力和竖向荷载。巨型框架与其他常规结构体 系可以组合成许多性能优的巨型结构体系，例如巨型框架一核心 筒一外伸臂结构，上海中心（124层，结构高度580 m)塔楼抗侧力 体系即采用此结构体系；巨型框架一核心筒一巨型支撑结构体系， >■«： 2超高层建筑结构体系的类型 筒体结构体系即由若干纵横交接的剪力墙集中到房屋内部 2.1筒体结构体系 或外部形成封闭筒体，用来承受房屋大部分或全部竖向荷载和水 平荷载所组成的结构体系。 1)框架一筒体结构。 该结构类型是目前超高层结构中应用最广泛的结构形式之 90 (BS5400) ,London, 1978.[4] [5] Hauksson F,. Dynamic behavior of footbridges subjected to pedestrian-induced vibrations, Lund University ,2005. MatsumotoY,Nishioka T, Shiojiri H, et al. Dynamic design of Footbridges, International Association for Bridge and Structural Engineering, Proceedings of IABSE ,1978.[6] [7] JGJ 3 — 2010,高层建筑混凝土结构技术规程[S].JGJ 99—98，高层民用建筑钢结构技术规程[S]. Comfort analysis of large-span steel corridor Lv Jia (East China Architectural Design Institute Co. , Ltd, Shanghai 200002, China) Abstract ： Introduces the floor vibration calculation by pedestrians and comfort evaluation standard, adopted finite element software to calculate the natural frequency and the acceleration of the large-span steel corridor which was under the pedestrian loads. The analyzing results indicate that the natural frequency and the acceleration meet the limitation of the Chinese code.Key words： corridor, large span, comfort, time-history analysis 收稿日期=2016-03-02 作者简介:李卉（1980-)，女，讲师 因篇幅问题不能全部显示，请点此查看更多更全内容