行車荷載下大跨度鋼筋混凝土樓蓋舒適度評價★

陳瑞生 周德泓 胡明大 吳劍國

(1．浙江大學(xué)，浙江杭州 310000; 2．浙江工業(yè)大學(xué)建筑規(guī)劃設(shè)計研究院有限公司，浙江杭州 310000;3．浙江工業(yè)大學(xué)建工學(xué)院，浙江杭州 310014; 4．溫州東甌建設(shè)集團有限公司，浙江溫州 325000)

大型空間停車場分為若干層，每一層都能停放車輛，由于鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)基頻較低，跨度較大，在承受動荷載比如人行荷載、汽車荷載時結(jié)構(gòu)就會產(chǎn)生較大的豎向位移和豎向振動加速度，從而引發(fā)旅客的不舒適感，因此，對其舒適度的評價十分必要。由于人體對振動的感知是由振動加速度或振動速度決定的［1］，所以評價建筑物的使用性能時，進行時程分析和頻域分析才可得出合理的結(jié)果。本文運用有限元分析軟件ANSYS，對瑞安客運中心停車站房的一塊大跨度鋼筋混凝土肋梁樓蓋，進行了有限元模態(tài)分析以及瞬態(tài)分析，獲得了樓蓋的最大豎向加速度。根據(jù)ISO 2631-2∶2003［2］上的有關(guān)條文和AISC/CISC上有關(guān)對加速度的規(guī)定進行舒適度的評判。

1 國內(nèi)外舒適度標(biāo)準(zhǔn)

1．1 國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)

對于人行天橋，CIJ 69-95城市人行天橋與人行地道技術(shù)規(guī)范［3］規(guī)定，天橋上部結(jié)構(gòu)豎向自振頻率不應(yīng)小于3 Hz。在JGJ 3-2010高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程中規(guī)定了樓蓋結(jié)構(gòu)的豎向振動頻率不宜小于3 Hz，同時規(guī)定了豎向振動加速度限制。

1．2 國外標(biāo)準(zhǔn)

1)ISO標(biāo)準(zhǔn)。國際標(biāo)準(zhǔn)化組織(ISO)的標(biāo)準(zhǔn)2631-2∶2003［2］是以涵蓋建筑物的振動環(huán)境而編寫的。ISO通過測定人對步行荷載的感知度，確定了一個基本標(biāo)準(zhǔn)，即通過限制最大加速度來規(guī)定不同用途建筑物的抗震指標(biāo)［4］。2)AISC/CISC標(biāo)準(zhǔn)。AISC，CISC在鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計資料中提出了限制樓板加速度的方法，綜合反映了美國和加拿大的相關(guān)研究成果。AISC/CISC樓板加速度限值見表1。

表1 AISC/CISC樓板加速度限值

2 站房舒適度計算

本文采用ANSYS軟件，對瑞安客運中心停車站房進行有限元模態(tài)分析以及瞬態(tài)分析。停車站房大跨樓蓋模型見圖1。取二層樓蓋中面積和撓度最大的一塊樓蓋板進行分析，樓板尺寸為24 m×84 m，樓板厚為200 mm，將樓蓋板劃分為8×28個，共224個板單元，梁截面的尺寸為2 800 mm×800 mm，1 500 mm×350 mm，2 500 mm×500 mm，1 800 mm×400 mm，見圖2。混凝土密度2 500 kg/m3，Ex=32 500 MPa，泊松比為 0．3。模型邊界條件為:在柱子處約束豎向自由度和水平轉(zhuǎn)動自由度;在4條邊界上約束轉(zhuǎn)動自由度;此外，在互相垂直的2條邊界上分別約束垂直于該邊界方向的水平自由度;在另外的2條邊界上，放松垂直于該邊界方向的水平自由度，見圖2。

圖1 停車站房大跨樓蓋模型

圖2 樓蓋邊界條件

2．1 樓蓋的5階模態(tài)分析

應(yīng)用有限元分析軟件ANSYS，計算出樓板的前5階頻率，如表2所示。由于一般慢速行駛的大客車在地面激振下的頻率2 Hz～5 Hz，在發(fā)動機產(chǎn)生振動下的頻率為33 Hz左右［4］，因此不會發(fā)生共振。依據(jù)CIJ 69-95城市人行天橋與人行地道技術(shù)規(guī)范規(guī)定，天橋上部結(jié)構(gòu)豎向自振頻率不應(yīng)小于3 Hz，因此基頻滿足舒適度要求。

表2 樓蓋前5階振動頻率

2．2 站房樓板加速度時程分析

假設(shè)客車荷載滿載為10 t，在板上的行駛速度為5 m/s，從2層樓板的進口加載，分為19個載荷步，每個載荷步分5個子載荷步。圖3為一輛客車滿載在邊跨行駛的示意圖:箭頭為客車的4個輪子加載點，加載方向沿板的長度方向，對加速度做時程分析，見圖4。選取板上加速度最大的幾個點做比較可得最大峰值加速度為137．67 mm/s2，換算為0．013 8g。根據(jù)國際標(biāo)準(zhǔn)化組織發(fā)布的ISO 2631-2∶2003［2］，依據(jù)前面計算所得的樓蓋一階自振頻率8．3 Hz，依據(jù)圖4最上端的曲線，查得滿足舒適度要求的最大峰值加速度為0．050g，因此滿足ISO要求。根據(jù)AISC/CISC要求，最大峰值加速度為0．050g，因此也滿足要求。

本文進行了1車中跨、2車并行、2車首尾邊跨、2車首尾中跨等4種工況的時程分析情況亦經(jīng)過ANSYS分析，其過程同上，因此在此略去。本文還進行了不同汽車行駛速度下的樓蓋結(jié)構(gòu)振動峰值加速度計算，發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)振動峰值加速度隨汽車行駛速度增大而變大。當(dāng)兩輛滿載客車在樓蓋的一側(cè)以10 m/s的速度即60 km/h行駛時，最大加速度為0．049g，接近允許最大加速度0．050g。因此，該樓蓋的汽車行駛的最大限制速度為10 m/s。

圖3 荷載布置圖

圖4 加速度時程曲線

2．3 各種荷載情況匯總

各種荷載作用下峰值加速度匯總，如表3所示。

表3 各種荷載作用下峰值加速度匯總

以上分析表明該工程站房樓板基頻和振動峰值加速度滿足相關(guān)要求。在一側(cè)作用有多輛滿載移動車輛荷載時，峰值加速度增加很快，因此在實際應(yīng)用中應(yīng)該規(guī)定客車的載重，限定速度，并且盡量避免單側(cè)的車輛首尾隨行。

3 結(jié)語

在設(shè)計階段采用有限元方法對工程結(jié)構(gòu)進行舒適度評價是必要的，也是可行的。大跨度鋼筋混凝土肋梁樓蓋結(jié)構(gòu)，在汽車行駛荷載的作用下的峰值加速度與車輛的速度，車輛的行駛方向，車輛的行駛組合等因素有關(guān)。車輛行駛速度越快，單方向上的行駛車輛越多，結(jié)構(gòu)的峰值加速度越大。

［1］宋志剛，金偉良．基于人體舒適度的樓蓋豎向振動設(shè)計的若干問題［J］．建筑科學(xué)，2002，18(2):123-126．

［2］ISO263 i-2(1989)．Evaluation of human exposure to whole—body vibration-Part 2:Continuous and shock．induced vibration in buildings(1 to 80 Hz)［S］．In:ISO 2631/2·1989．

［3］宋志剛，金偉良．振動建筑中人的煩惱率［J］．強度與環(huán)境，2002，29(4):51-58．

［4］李 黎，葉志雄，王 欣，等．移動荷載作用下特大懸索橋的行車舒適性［J］．公路交通科技，2007，24(9):46-50．

［5］JGJ 94-2008，高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程［S］．