某文化中心綜合體空中連廊TMD減振控制分析

汪秀清，曾祥威

(廣州大學 土木工程學院，廣東 廣州 510006)

0 前 言

人致工程結構振動問題由來已久[1],并且隨著現代科學和社會經濟的發展，人們對居住環境以及建筑的美觀、安全性及舒適度的要求愈來愈高。目前，越來越多的文化中心綜合體將出現在人們的生活中。這些綜合體一般都是建筑造型新穎復雜，體型不規則，且多為大跨樓蓋、懸挑結構等輕柔結構[2]。這也對其結構上空中連廊振動舒適度的減振控制提出了新難題。

振動控制技術作為土木工程中降低結構動力響應的有效手段，已被工程技術人員和業主廣泛接受。經典的控制裝置有很多種，如粘性阻尼器[3]、調諧質量阻尼器(TMD)[4]、主動控制主動筋[5]等。

本文以某文化中心綜合體的第三層處空中連廊為研究對象，應用TMD技術,采用多點TMD減振控制系統進行結構在不同行人荷載模式作用下的減振控制來減小空中連廊的振動加速度，改善使用舒適度。其TMD的相關參數設置及布置方式也為類似工程結構設計提供一定的參考。

1 工程概況及計算模型

該文化中心綜合體整體長度約為364 m，寬約為129 m。本文研究的部分工程結構總長度約為31 m，總寬度約為30 m，該綜合體的梁板構件材料分別為Q345鋼和C30混凝土。其中在第三層懸挑區域樓板豎向振動加速度不滿足人體舒適度要求。采用MIDAS Gen軟件對該懸挑區域進行樓板舒適度分析，如圖1所示。

(a)整體結構三維效果圖

(b)截取后第三層空中連廊三維效果圖

本工程按照室外樓板規定計算分析，人行荷載產生的樓板豎向振動最大加速度峰值限值定為0.15 m/s2(步行)和0.3 m/s2(跑步)。

分析截取后第三層空中連廊的豎向振動響應取第一階模態的頻率(2.62 Hz)作為結構的第一階豎向自振頻率，考慮到分析人行荷載作用下的結構動力響應，因而接下來的分析將結構前二階豎向振型作為研究對象，其中第二階模態的頻率為3.59 Hz。前二階豎向振型圖如圖2所示。

(a)第三層空中連廊第一階豎向振型

(b)第三層空中連廊第二階豎向振型

2 計算工況和TMD布置方案

通常情況下，人的各種不同活動行為都具有不同的頻率范圍。實驗統計得到的人步行頻率為1.5～2.5 Hz，當頻率大于2.5 Hz時一般認為活動為跑步或跳躍的形式。因此，本工程定義的人群運動模式為：隨機人群運動(考慮共振)，即本工程樓板中隨機走動人群的密度統一為1人/m2，其中同步人群的運動頻率與結構振動頻率相同(考慮最不利情況)。具體工況如表1所示。

表1 樓板人行荷載工況定義

根據本工程的實際特點，其在人行荷載作用下的豎向振動已超過規范限值要求，因此，采用多點TMD減振控制系統對該第三層空中連廊進行振動控制設計，TMD的相關參數設置如表2所示。將TMD安裝在第三層懸挑區域下桁架梁板下部，為保證TMD設計、安裝及檢修的安全性和可操作性，圖3中每個位置處的TMD重量設計成2 t。其中，紅色圓圈為TMD1布置處、黃色圓圈為TMD2布置處、黑色圓圈為TMD3布置處。

表2 TMD設計參數

3 結構TMD減振控制分析

第三層空中連廊上截取的不同節點如圖4所示。其中，在不同行人荷載模式作用下，第三層空中連廊在工況GK-1下最大加速度峰值在節點7 474處，工況GK-2～GK-9下最大加速度峰值在節點7 472處。

圖4 體育館取的部分節點的示意圖

結構在隨機步行(GK-1～GK-4)工況激勵作用下，樓板最大峰值加速度為0.17 m/s2(GK-4，節點7 472)，不滿足限值0.15 m/s2的要求；在隨機跑步(GK-5～GK-9)工況激勵下，樓板最大峰值加速度為0.34 m/s2(GK-6，節點7 472)，不滿足限值0.3 m/s2的要求。安裝TMD后樓板在工況(GK-1～GK-9)均能滿足限值要求，其中，第三層空中連廊中部分樓板節點7 472、7 474的豎向振動加速度反應時程曲線如圖5所示。

(a) 人致荷載GK-1工況

(b) 人致荷載GK-2工況

(c) 人致荷載GK-3工況

(d) 人致荷載GK-4工況

(e) 人致荷載GK-5工況

(f) 人致荷載GK-6工況

(g) 人致荷載GK-7工況

(h) 人致荷載GK-8工況

(i) 人致荷載GK-9工況

計算分析得到，在工況GK-4樓板節點7 472最大峰值加速度響應由0.17 m/s2降低到0.11 m/s2，減振效果達到38.33%，在工況GK-5樓板節點7 472最大峰值加速度響應由0.34 m/s2降低到0.11 m/s2，減振效果達到67.19%，由此看出，該文化中心綜合體第三層空中連廊安裝TMD系統后，有效地改善了樓板在隨機人群荷載作用下的振動舒適度。

4 結 論

本文對某文化中心綜合體第三層空中連廊進行了9種人行荷載工況下的減振控制設計與分析，通過該結構的動力特性和無控、有控動力響應的計算分析可知，通過在結構的樓板設置TMD減振控制裝置，有效抑制了樓板在人群隨機荷載作用下和連續人行荷載作用下的振動響應，使該樓板在一般人群隨機荷載(步行、跑步)工況下的豎向振動峰值加速度響應均滿足規范限值要求，保證了結構的振動舒適度。

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