大跨度混凝土楼盖舒适度分析(持续更新)
一、概述
由于建筑使用功能方面的要求,大跨度楼盖结构在目前工程中越来越多,除了关注承载力以及挠度等指标之外,舒适度问题也逐渐成为结构分析的一项主要内容。本文主要针对混凝土楼盖(梁板均为混凝土)进行分析,初步探讨一下楼板舒适度问题对大跨混凝土楼盖影响程度。
二、舒适度评价指标
关于舒适度问题评价问题,目前多本规范中多多少少均有涉及,归纳起来主要为以下两项指标要求,一是楼盖自振频率限值,二是峰值加速度限值。舒适度问题说到底本身是人的感受问题,且带有一定的主观性,根据相关文献,引起人不舒适最主要的因素加速度问题,那么从这一层面上讲控制舒适度问题核心为控制峰值加速度问题,自振频率仅为必要条件,人正常行走步频在1.6~2.2Hz,楼盖自振频率超过人行走步频后,就可以避免共振,越高的楼盖自振频率与人行走产生共振的可能性也越小,通常情况不会出现舒适度问题。
三、规范相关要求
楼盖舒适度问题,多本规范均有相关规定,列举如下:
1、 《混凝土结构设计规范GB 50010-2010》(2015版)
2、 《高层建筑混凝土结构设计规程JGJ3-2010》
3、 《高层民用建筑钢结构技术规程JGJ 99-2015》
4、 《建筑楼盖振动舒适度技术标准JGJT 441-2019》
5、 《广东省高层建筑混凝土结构技术规程DBJ/T 15-92-2021》
对比各各规范要求,主要有以下特点:
1)对于普通楼盖(住宅、办公、商场等)竖向自振频率限值各规范要求基本一致,而《舒适度标准》对于楼盖自振频率小于3Hz没有加速度限值提高
的规定;
2)广东高规对于舒适度计算混凝土楼盖阻尼比取值也相对严格。
3)混凝土规范仅对各楼盖自振频率提出了要求,对加速度并未给具体限值,这也从一个侧面反映出当混凝土楼盖自振频率超过一定限值(通常为3Hz)楼盖舒适度通常不存在问题;
4)《舒适度标准》以前,其它规范对于加速度限值主要针对住宅、办公、商场以及室内连廊这几种情况,其它功能环境没有明确,而《舒适度标准》使用的范围更广,对常用的功能环境均给出了限值要求;
5)各规范对于峰值加速度的计算均提出采用简化计算的方法,但对于相对精确的时程分析其它规范并没有给出具体操作原则。《舒适度标准》对于楼盖舒适度计算则给出明确的计算规则以及明确的人行荷载函数,对于行走激励为主的楼盖采用单人行走激励计算楼盖振动加速度,考虑到施发激励的人与旁边感受的人对楼盖振动感受的不同,规范对于时程分析计算的峰值加速度的结果采用0.5倍折减后作为评价的依据。
一、案例分析
1、案例基本情况
现以某一项目为例,简要说明一下舒适度问题在纯混凝土楼盖中影响程度。某教学楼教室,主要功能音乐教室及电教室,层高3800mm,长宽16.6mx16.4m,附加恒载2.0kn/㎡,活载2.5kn/㎡由于使用功能要求,梁高度限制在550mm以内,楼板厚度150mm,原布置方案如下左图,另外为方便对比楼板厚度对结果影响增加一对比方案如下右图:
原方案-板厚150 | 对比方案-板厚100 |
2、楼板不利点自振频率
采用稳态函数对楼板基频进行捕捉,由于本案例为单跨,模态比较简单,比较容易判断最不利点位置,为楼盖中心位置,为保守取值,此次分析忽略
楼板对梁刚度的贡献。根据计算结果,原方案自振频率为4.56Hz;对比方案自振频率为4.8Hz,均大于3Hz;
2、人行走激励函数
根据《建筑楼盖振动舒适度技术标准JGJT 441-2019》,对于人行激励为主的情况采用单人行走激励函数进行时程分析,单人行走激励荷载如下所示,
4、时程分析
本次分析施加方式,采用单点输入,将以上人行走频率函数导入sap2000有限元软件中,对楼盖的不利点位置施加固定激励荷载函数,经计算分析所得
各步频函数下楼板峰值加速度值如下:
原方案:
五、结论
根据以上有限元时程分析结果可知,
1、通常情况下增大楼板厚度对提升楼盖舒适度是有利的,但并非是所有情况下都有效,如本案例,由于增加楼板厚度使得楼板自振频率与人行荷载二
阶频率比较接近,使得楼板振动响应有了一定程度的增大;
2、对于本案例梁跨高比达到1/29大于常用限值较多,通常密肋梁跨高比控制在1/22,楼盖自振频率在不考虑楼板对梁刚度贡献的前提下达到
4.4Hz,能够比较容易满足规范不小于3.0Hz要求,并且峰值加速度仅为0.038/2=0.019m/s2也小于规范0.05m/s2的限值较
多;故对于纯混凝土结构楼盖,当梁跨高比满足规范相关限值时,对于规范要求的单人行走激励下的混凝土结构楼盖舒适度通常不存在问题。
后续推文将对钢结构楼面展开相关分析对比。