廈門市體育中心綜合健身館鋼結構大跨度樓蓋的結構選型與減震分析

謝樹旺

（博亞（福建）建筑設計有限公司　福建省　泉州市　362000）

廈門市體育中心綜合健身館鋼結構大跨度樓蓋的結構選型與減震分析

謝樹旺

（博亞（福建）建筑設計有限公司福建省泉州市362000）

本體育健身館從正負零標高以上為全鋼結構，兩層（含夾層，局部三層），由于首層布置了籃球館及網球館，所以二層為大跨度鋼樓蓋（組合樓板，箱型主梁）；屋面為網架。本工程通過合理的結構選型，調整結構整體剛度，提高關鍵構件抗震性能目標以及適當的構造措施使結構滿足抗震設防要求。同時通過樓蓋結構振動分析，對使用舒適度進行驗算。根據驗算的結果需要，在大跨度主梁跨中區域設置了調諧減震裝置TMD進行了減震設計。

鋼結構大跨度箱型梁；網架；樓蓋結構振動分析；TMD減震阻尼器

1　工程概況

項目位于廈門市思明區湖濱北路中段以北的體育中心，場地四周西臨主體育場、東臨育秀路、南臨球類綜合館（現牡丹大酒樓）、北臨休閑康體館。本工程擬建項目主要為主樓及兩層純地下室組成。其中主樓高度為26.0m（全鋼結構），長度178.9m，寬度60.7m，建筑面積20254m2；兩層地下室（鋼筋混凝土框架）開挖8.6m，建筑面積33350m2。本工程采用樁基礎，基礎埋設深度為12.0m。上部鋼結構主要為兩層（局部含夾層為三層），結構體系為鋼框架-支撐；由于一層的主要建筑功能為籃球館及網球館，所以對于的二層為大跨度樓蓋（箱型鋼柱及箱型鋼主梁），主要的大跨度為40.5m（共三跨）及24.3m（共一跨）；主要柱距為8.1m。40.5m上空的屋蓋為網架結構組成的輕鋼屋蓋，跨度為56.7m×40.5m；24.3m上空的屋蓋為鋼框架組成的鋼筋混凝土屋面。

本工程抗震設防類別為乙類；抗震設防烈度為Ⅶ度，設計基本地震加速度為0.15g，地震分組為第二組，根據地質勘察報告，場地類別為Ⅲ類，場地特征周期0.55s，多遇地震水平地震影響系數最大值0.12，抗震構造措施為Ⅷ度。本工程基本風壓0.8kN/m2。

圖1　外觀詳見鳥瞰效果圖

圖2　跨度情況詳見鋼結構剖面圖

圖3　結構空間關系詳見三維模型圖

2　結構選型

本工程由于在一樓設置了籃球館及網球館，所以二層樓蓋為大跨度體系，40.5m跨，我們對比了型鋼桁架結構及箱型梁結構，按照經驗型鋼桁架的桁架高度約為跨度的1/12即3.3m，箱型梁截面高度約為1/20即2m，本工程因凈高要求，結構厚度（包括樓板厚）僅允許2.5m，根據計算對比，最終選用箱型梁方案。本工程主要鋼柱截面為口800×1200×36；口800×800×25；口600X650X20；框架主梁截面主要為口800×2000×25（腹板的高厚比通過設置橫向加勁肋及縱向加勁肋保證）；口400×900×20；主要次梁截面為HN400×200及HN300×150。

樓板為壓型鋼板作為永久性模板的非組合型樓板，非組合型的樓板可以省去在壓型鋼板底面涂刷防火涂料的造價。在體育場館的四角區域布置了箱型十字支撐作為抗側力的補充，加強整體扭轉剛度。

屋面結構，對比了三角形鋼管桁架及網架兩種結構，從造價經濟性方面網架有優勢，最后選用了網架的結構形式。

3　結構分析

本工程鋼框架部分計算采用PKPM-SATWE、網架部分計算采用3D3S，整體組裝復核計算采用Midas-Gen。設計結果以PKPM-SATWE輸出為主要依據。由于PKPM對于空間網架的輸入不太方便，采用PKPM軟件設計時將屋面網架按剛性梁代替，用來模擬剛度及傳導荷載；網架部分采用3D3S網架模塊計算，支座剛度用懸臂鋼柱的彈性剛度代替。本工程結構嵌固層設置于地下室頂板面，地面以上主體結構三層。整體模型計算中考慮偶然偏心地震作用，雙向地震作用，扭轉耦聯以及施工模擬加載的影響，主要計算結果如表1所示。

4　TMD減震分析

4.1人行荷載

對于人行天橋、連廊等以行走荷載為主的結構，行人的行走可能產生垂直作用力、橫向作用力以及縱向作用力。由于行人在行走過程中產生的橫向和縱向荷載幅值相對豎向很小，一般只考慮人行荷載對橋面的豎向作用，忽略其產生的水平和縱向作用。

表1　整體計算結果參數匯總表

室內體育館中，主要的荷載形式為有節奏運動，包括健身、有氧運動、瑜伽、打羽毛球等活動。

4.2舒適度評價標準

根據AISC/CISC Steel Design Guide Series No.11，以有節奏運動為主的建筑樓蓋，由于環境嘈雜，人對加速度的敏感程度較低，最不利位置處的加速度限值為40～70cm/s2。

在本項目中，采用的舒適度標準是，最不利位置處的加速度峰值應不大于50cm/s2。

4.3分析軟件：SAP2000 V17.1.1（略）4.4原結構模態分析

體育館為兩層，對其舒適度進行分析時，荷載作用的樓板是二層的樓板，因此下面討論的振型就應該是以二層樓板的豎向振動為主的振型。

從該體育館模態分析時的前20階振型，其中第10階振型是以最左跨樓板的豎向振動為主的振型，頻率為2.455Hz，豎向振型質量參與系數為0.0522，第13階振型為右邊兩跨樓板的豎向振動，頻率為2.676Hz，豎向振型質量參與系數為0.12，第19階振型為中間跨樓板的豎向振動，頻率為3.026Hz，豎向振型質量參與系數為0.0576，在進行時程分析時，選擇合適的荷載頻率，激發出結構的這三個振型。

4.5TMD布置

該體育館樓板結構可以分別三個部分，各個部分的振動頻率也不相同，因此可以布置3種頻率的TMD，予以分別控制。TMD的頻率分別為2.46Hz、2.68Hz以及3.03Hz，即頻率比都取值為1。該體育館結構總質量為14863.4t，第10、13、19階振型參與質量分別為776t、1784t以及856t，質量比按照經驗在1.5％左右，初步確定布置的TMD分別為16t、24t以及12t。阻尼比的選擇可以根據以下公式：

于是，計算得到的各種TMD的阻尼比為0.0853、0.0696以及0.071。在實際工程中，一般阻尼比宜設置在0.08～0.1。TMD的具體參數如表2～4所示。

TMD布置在體育館的二層（標高15.000），對于每一跨，由于振動主要集中在跨中區域，因此將TMD盡可能得布置在跨中的區域會取得更好的減震效果。

4.6減震效果分析

布置TMD之后，由于TMD與結構之間產生的相互影響，結構的自振頻率發生改變。受控制的振型會產生新的振型，從而就有兩個振型，其中一個頻率大于原結構，另外一個振型的頻率則小于原結構的頻率。與原結構的振型質量參與系數表進行比較，可以發現布置TMD后的系統一階振型與原結構基本沒有變化，同時也說明TMD只對需要控制的振型才起作用。對比也可以發現，經TMD減震之后，主要振型依然是在豎向上。

表2　2.46Hz（16個，控制豎向振動）

表3　3.03Hz（12個，控制豎向振動）

表4　2.68Hz（24個，控制豎向振動）

對體育館結構與TMD系統做時程分析，分別取三種工況，頻率分別為2.46Hz、3.03Hz以及2.68Hz，以便激發出結構的振型。結果如表5所示。

表5　原結構與TMD系統二層各樓板跨中節點加速度、位移對比

由于體育館中主要進行各種體育活動，若是多人進行同頻的有節奏運動時，對于樓板的作用會大于單純的行走，而體育館的舞臺布置較靈活，人群分布也不易確定，產生共振的可能性非常大。由表4可以看出，在無TMD進行控制時，加速度峰值最大能夠達到157.9cm/s2，遠遠超出舒適度要求的限值，甚至超出了人的忍受界限。在進行TMD控制后，樓板的加速度峰值有了明顯的下降，下降幅度從64～72％不等。能達到這樣的減震效果，是由于共振時更能激發出TMD的振動，從而使得結構自身的加速度降低。

從舒適度的角度來看，在各跨，經過對TMD數目等的合理的優化，均能將加速度峰值控制在50cm/s2，滿足了舒適度的要求。

5　結論

（1）結合建筑使用功能及經濟性要求，給出了多層體育館大跨度主體工程的結構選型過程，實現了業主對于室內空間的特殊使用要求。

（2）對樓蓋結構采用目前較先進的樓面振動控制理論與方法進行了分析，分析結果如下：

①該體育館的樓板的自振頻率在2～3Hz之間，剛度較小。同時，由于主要動力激勵來源是體育賽事等的有節奏運動，頻率基本也集中在2～3Hz，因此容易引起共振，引起樓板上活動的人員的不適，因此需要進行TMD減震設計。

②采用TMD對結構進行減震，共計使用了頻率分別為2.46Hz、2.68Hz與3.03Hz的TMD 52t，對樓板做非線性時程分析（FNA）表明，TMD的減震效果顯著，減震幅度處達到了72.54％。

③經過TMD減震處理，體育館結構在有節奏運動的作用下的最大加速度反應均小于50cm/s2，對于處于運動過程中的人員來說，由于對加速度不夠敏感，這是可以接受的，同時也是滿足舒適度標準的。

TU393.3

A

1673-0038（2015）27-0035-03

2015-6-19

謝樹旺（1976-），男，國家一級注冊工程師，大學本科，從事鋼結構設計15年，主要設計大跨度建筑鋼結構及異性曲面雕塑鋼結構工作。