武漢某辦公大樓樓板舒適度測試分析

徐迪 孫森

現代辦公建筑通常采用大跨度的樓板結構體系去實現自由組合空間和開闊的效果。而此類結構體系因為人群辦公集中，在人類生產活動中產生的荷載作用下很容易引起結構振動舒適度的問題，振動嚴重的會影響到建筑使用功能甚至帶來安全隱患。因此，建筑結構設計對樓板體系進行舒適度驗算分析，建筑結構發現異常振動時對樓板體系進行舒適度驗算分析復核及振動實測顯得十分重要。本文采用Midas Gen對武漢市某辦公大樓的樓板舒適度進行結構分析，結合東華結構動力測試設備對樓板的舒適度實則值進行評價。

一、舒適度評價標準

國內外通行兩種舒適度評價標準，一種是基于頻率限值，另外一種基于加速度限值。下面對我國相關規范的常見評價標準概括如下：

1.頻率控制

國際標準ISO 10137/ATC-40主要是用來預測估計和分析建筑結構中的振動程度，從而評估建筑結構的振動特性。ATC1999年的《減少樓板振動》指出，樓板振動的幅度、振動時間、不同的建筑使用環境和人類活動都會影響振動舒適度。圖1所示不同的建筑環境和人類活動下，人類體感舒適度可接受的樓板振動峰值加速度水平。

圖1 人類體感舒適度可接受的樓板振動峰值加速度水平

為了避免共振，確保一定水平的舒適度，綜合現行CJJ69-95《城市人行天橋與人行地道技術規范》第2.5.4條，JGJ3-2010《高層建筑混凝土結構技術規范》第3.7.7條，GB50010-2010《混凝土結構設計規范》第3.4.6的不同要求：天橋上部結構、建筑樓蓋、大跨度的公共建筑豎向自振頻率限值為3Hz，辦公樓及旅館豎向自振頻率限值為4Hz，住宅與公寓豎向自振頻率限值為5Hz。

2.加速度控制

JGJ3-2010《高層建筑混凝土結構技術規范》對樓蓋豎向振動加速度峰值相關規定如表1所示，當樓蓋豎向自振頻率介于2～4Hz之間，峰值加速度限值可線性插值。

表1 加速度限值（m/s2）

《組合樓板設計與施工規范》JGJ3-CECE 273：2010第4.2.4條通過限值振動峰值加速度與重力加速度之比來表征樓板舒適度的要求。當建筑結構為健身房、舞廳或手術室等其他功能房屋或存在結構豎向自振頻率小于3Hz或大于8Hz的情況都需要應做專門研究和論證。

表2 振動峰值加速度ap/g限值

二、工程概況

武漢某企業總部辦公大樓位于市郊區，框架剪力墻結構，設2層地下室，單塔結構，塔樓最高處地上24層，設5層裙房，建筑檐口高度為99.7m，。裙樓部分設有鋼結構夾層，結構平面立面布置如圖2所示。混凝土墻、柱、板構件的混凝土隨樓層不同強度等級介于C30到C50，鋼結構柱、板鋼材為Q345B或Q235B。因該建筑頂層有人為感知的樓板振動，受委托，我單位對該總部大廈進行了動力測試數據采集工作。

圖2 大樓整體有限元模型

三、動力特性分析

采用Midas Gen軟件建立樓蓋的有限元模型加人行荷載進行舒適度分析，三層3-4-F-G板樓蓋有限元模型如圖3所示。

圖3 18層3-4-F-G板樓蓋有限元模型

樓蓋有限元模型參數：

（1）對整棟大樓的局部樓蓋建立模型分析可以提高分析的效率和精度。

（2）阻尼一般為0.02～0.05。

（3）樓面荷載。樓板恒荷載取3.5kN/m2，樓屋面面活荷載取2.0kN/m2。

（4）混凝土彈性模量取靜荷載作用下的1.2倍即3.0×104N/m2。

（5）邊界條件：模型底部固接。

經模態計算，結果如表3所示。

表3 結構主要豎向頻率

經計算分析，樓板中點豎向自振頻率為3.96Hz，位移譜峰值為44.32mm/s2。

四、實測峰值加速度

環境隨機激振法俗稱脈動法，其本質是利用建筑物或橋梁等結構使用環境中的風、人行荷載、機械振動等自然因素產生一個天然寬頻的激振源，當環境中的某個外界激振頻率與結構本身的固有頻率比較接近，會引起共振，通過儀器測試采集數據并分析大樣本的數據得到結構物的固有頻率等特性。為了得到一個足夠寬頻的激振頻率，每次采集數據需要采取較長一段時間以確保這段時間內存在足夠多激振頻率。脈動記錄過程應避免規則的干擾。在本次樓板測試中為了保證測試區域能接收到隨機的環境激勵包含足夠多的頻率，每次采樣時間為四十分鐘左右長的一個小時，采樣頻率設置為80～100Hz。本次采集大樓動力特性的儀器為東華DH3822，測試十八層3-4-G-H板豎向基頻圖如4所示。18層樓板測試數據如下表4：

表4 振動數據實測值

圖4 十八層3-4-G-H板豎向基頻圖

從測試數據可以看出，在自然工況狀態下，企業總部辦公大樓所測測點豎向自振頻率在4.00～5.42Hz之間，振動加速度在4.35～34.7mm/s2之間；周邊道路豎向自振頻率在10.25～10.28Hz之間，振動加速度在4.82～10.53mm/s2之間；在自然工況狀態下，企業總部辦公大樓所測測點水平向自振頻率在1.66～2.78Hz之間，振動加速度在0.55～5.31mm/s2之間。

五、結論

（1）舒適度分析是必要的。房屋結構不同，其振動特性是不同的。通過建模分析及時調整結構，防止結構樓板舒適度不夠的情況出現，設計階段發現問題可以及時解決，以免房屋建成后因房屋舒適度不夠而改造房屋造成經濟損失。

（2）建筑結構發現異常振動時對樓板體系進行舒適度驗算分析復核及振動實測顯得十分重要，可以迅速找出問題所在并及時解決。

（3）通過Midas Gen模態分析得到自振頻率和東華動力測試的結果相近，模態分析得到的建筑自振頻率為3.96Hz，實測自振頻率為4.05Hz。該建筑不同部位的豎向自由振動頻率符合現行規范要求。

六、結語

現代辦公建筑通常采用大跨度的樓板結構體系去實現自由組合空間和開闊的效果。而此類結構體系因為人群辦公集中，在人類生產活動中產生的荷載作用下很容易引起結構振動舒適度的問題，振動嚴重的會影響到建筑使用功能甚至帶來安全隱患。本文采用Midas Gen對武漢市某辦公大樓的樓板舒適度進行模態分析，結合東華動力測試設備對樓板的舒適度進行評價，證明該大樓樓板舒適度設計功能基本滿足使用要求，有效地停息了一些業主的恐慌心情。