謝樹(shù)旺

（博亞（福建）建筑設(shè)計(jì)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(jié)構(gòu)大跨度樓蓋的結(jié)構(gòu)選型與減震分析

謝樹(shù)旺

（博亞（福建）建筑設(shè)計(jì)有限公司福建省泉州市362000）

本體育健身館從正負(fù)零標(biāo)高以上為全鋼結(jié)構(gòu)，兩層（含夾層，局部三層），由于首層布置了籃球館及網(wǎng)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(wǎng)架。本工程通過(guò)合理的結(jié)構(gòu)選型，調(diào)整結(jié)構(gòu)整體剛度，提高關(guān)鍵構(gòu)件抗震性能目標(biāo)以及適當(dāng)?shù)臉?gòu)造措施使結(jié)構(gòu)滿足抗震設(shè)防要求。同時(shí)通過(guò)樓蓋結(jié)構(gòu)振動(dòng)分析，對(duì)使用舒適度進(jìn)行驗(yàn)算。根據(jù)驗(yàn)算的結(jié)果需要，在大跨度主梁跨中區(qū)域設(shè)置了調(diào)諧減震裝置TMD進(jìn)行了減震設(shè)計(jì)。

鋼結(jié)構(gòu)大跨度箱型梁；網(wǎng)架；樓蓋結(jié)構(gòu)振動(dòng)分析；TMD減震阻尼器

1　工程概況

項(xiàng)目位于廈門市思明區(qū)湖濱北路中段以北的體育中心，場(chǎng)地四周西臨主體育場(chǎng)、東臨育秀路、南臨球類綜合館（現(xiàn)牡丹大酒樓）、北臨休閑康體館。本工程擬建項(xiàng)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(jié)構(gòu)），長(zhǎng)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(kāi)挖8.6m，建筑面積33350m2。本工程采用樁基礎(chǔ)，基礎(chǔ)埋設(shè)深度為12.0m。上部鋼結(jié)構(gòu)主要為兩層（局部含夾層為三層），結(jié)構(gòu)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(wǎng)球館，所以對(duì)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(wǎng)架結(jié)構(gòu)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(shè)防類別為乙類；抗震設(shè)防烈度為Ⅶ度，設(shè)計(jì)基本地震加速度為0.15g，地震分組為第二組，根據(jù)地質(zhì)勘察報(bào)告，場(chǎng)地類別為Ⅲ類，場(chǎng)地特征周期0.55s，多遇地震水平地震影響系數(shù)最大值0.12，抗震構(gòu)造措施為Ⅷ度。本工程基本風(fēng)壓0.8kN/m2。

圖1　外觀詳見(jiàn)鳥(niǎo)瞰效果圖

圖2　跨度情況詳見(jiàn)鋼結(jié)構(gòu)剖面圖

圖3　結(jié)構(gòu)空間關(guān)系詳見(jiàn)三維模型圖

2　結(jié)構(gòu)選型

本工程由于在一樓設(shè)置了籃球館及網(wǎng)球館，所以二層樓蓋為大跨度體系，40.5m跨，我們對(duì)比了型鋼桁架結(jié)構(gòu)及箱型梁結(jié)構(gòu)，按照經(jīng)驗(yàn)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(jié)構(gòu)厚度（包括樓板厚）僅允許2.5m，根據(jù)計(jì)算對(duì)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(guò)設(shè)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(jià)。在體育場(chǎng)館的四角區(qū)域布置了箱型十字支撐作為抗側(cè)力的補(bǔ)充，加強(qiáng)整體扭轉(zhuǎn)剛度。

屋面結(jié)構(gòu)，對(duì)比了三角形鋼管桁架及網(wǎng)架兩種結(jié)構(gòu)，從造價(jià)經(jīng)濟(jì)性方面網(wǎng)架有優(yōu)勢(shì)，最后選用了網(wǎng)架的結(jié)構(gòu)形式。

3　結(jié)構(gòu)分析

本工程鋼框架部分計(jì)算采用PKPM-SATWE、網(wǎng)架部分計(jì)算采用3D3S，整體組裝復(fù)核計(jì)算采用Midas-Gen。設(shè)計(jì)結(jié)果以PKPM-SATWE輸出為主要依據(jù)。由于PKPM對(duì)于空間網(wǎng)架的輸入不太方便，采用PKPM軟件設(shè)計(jì)時(shí)將屋面網(wǎng)架按剛性梁代替，用來(lái)模擬剛度及傳導(dǎo)荷載；網(wǎng)架部分采用3D3S網(wǎng)架模塊計(jì)算，支座剛度用懸臂鋼柱的彈性剛度代替。本工程結(jié)構(gòu)嵌固層設(shè)置于地下室頂板面，地面以上主體結(jié)構(gòu)三層。整體模型計(jì)算中考慮偶然偏心地震作用，雙向地震作用，扭轉(zhuǎn)耦聯(lián)以及施工模擬加載的影響，主要計(jì)算結(jié)果如表1所示。

4　TMD減震分析

4.1人行荷載

對(duì)于人行天橋、連廊等以行走荷載為主的結(jié)構(gòu)，行人的行走可能產(chǎn)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(guò)程中產(chǎn)生的橫向和縱向荷載幅值相對(duì)豎向很小，一般只考慮人行荷載對(duì)橋面的豎向作用，忽略其產(chǎn)生的水平和縱向作用。

表1　整體計(jì)算結(jié)果參數(shù)匯總表

室內(nèi)體育館中，主要的荷載形式為有節(jié)奏運(yùn)動(dòng)，包括健身、有氧運(yùn)動(dòng)、瑜伽、打羽毛球等活動(dòng)。

4.2舒適度評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)AISC/CISC Steel Design Guide Series No.11，以有節(jié)奏運(yùn)動(dòng)為主的建筑樓蓋，由于環(huán)境嘈雜，人對(duì)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(xiàng)目中，采用的舒適度標(biāo)準(zhǔn)是，最不利位置處的加速度峰值應(yīng)不大于50cm/s2。

4.3分析軟件：SAP2000 V17.1.1（略）4.4原結(jié)構(gòu)模態(tài)分析

體育館為兩層，對(duì)其舒適度進(jìn)行分析時(shí)，荷載作用的樓板是二層的樓板，因此下面討論的振型就應(yīng)該是以二層樓板的豎向振動(dòng)為主的振型。

從該體育館模態(tài)分析時(shí)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(dòng)為主的振型，頻率為2.455Hz，豎向振型質(zhì)量參與系數(shù)為0.0522，第13階振型為右邊兩跨樓板的豎向振動(dòng)，頻率為2.676Hz，豎向振型質(zhì)量參與系數(shù)為0.12，第19階振型為中間跨樓板的豎向振動(dòng)，頻率為3.026Hz，豎向振型質(zhì)量參與系數(shù)為0.0576，在進(jìn)行時(shí)程分析時(shí)，選擇合適的荷載頻率，激發(fā)出結(jié)構(gòu)的這三個(gè)振型。

4.5TMD布置

該體育館樓板結(jié)構(gòu)可以分別三個(gè)部分，各個(gè)部分的振動(dòng)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(jié)構(gòu)總質(zhì)量為14863.4t，第10、13、19階振型參與質(zhì)量分別為776t、1784t以及856t，質(zhì)量比按照經(jīng)驗(yàn)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(jù)以下公式：

于是，計(jì)算得到的各種TMD的阻尼比為0.0853、0.0696以及0.071。在實(shí)際工程中，一般阻尼比宜設(shè)置在0.08～0.1。TMD的具體參數(shù)如表2～4所示。

TMD布置在體育館的二層（標(biāo)高15.000），對(duì)于每一跨，由于振動(dòng)主要集中在跨中區(qū)域，因此將TMD盡可能得布置在跨中的區(qū)域會(huì)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(jié)構(gòu)之間產(chǎn)生的相互影響，結(jié)構(gòu)的自振頻率發(fā)生改變。受控制的振型會(huì)產(chǎn)生新的振型，從而就有兩個(gè)振型，其中一個(gè)頻率大于原結(jié)構(gòu)，另外一個(gè)振型的頻率則小于原結(jié)構(gòu)的頻率。與原結(jié)構(gòu)的振型質(zhì)量參與系數(shù)表進(jìn)行比較，可以發(fā)現(xiàn)布置TMD后的系統(tǒng)一階振型與原結(jié)構(gòu)基本沒(méi)有變化，同時(shí)也說(shuō)明TMD只對(duì)需要控制的振型才起作用。對(duì)比也可以發(fā)現(xiàn)，經(jīng)TMD減震之后，主要振型依然是在豎向上。

表2　2.46Hz（16個(gè)，控制豎向振動(dòng)）

表3　3.03Hz（12個(gè)，控制豎向振動(dòng)）

表4　2.68Hz（24個(gè)，控制豎向振動(dòng)）

對(duì)體育館結(jié)構(gòu)與TMD系統(tǒng)做時(shí)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(fā)出結(jié)構(gòu)的振型。結(jié)果如表5所示。

表5　原結(jié)構(gòu)與TMD系統(tǒng)二層各樓板跨中節(jié)點(diǎn)加速度、位移對(duì)比

由于體育館中主要進(jìn)行各種體育活動(dòng)，若是多人進(jìn)行同頻的有節(jié)奏運(yùn)動(dòng)時(shí)，對(duì)于樓板的作用會(huì)大于單純的行走，而體育館的舞臺(tái)布置較靈活，人群分布也不易確定，產(chǎn)生共振的可能性非常大。由表4可以看出，在無(wú)TMD進(jìn)行控制時(shí)，加速度峰值最大能夠達(dá)到157.9cm/s2，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出舒適度要求的限值，甚至超出了人的忍受界限。在進(jìn)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(dá)到這樣的減震效果，是由于共振時(shí)更能激發(fā)出TMD的振動(dòng)，從而使得結(jié)構(gòu)自身的加速度降低。

從舒適度的角度來(lái)看，在各跨，經(jīng)過(guò)對(duì)TMD數(shù)目等的合理的優(yōu)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(jié)論

（1）結(jié)合建筑使用功能及經(jīng)濟(jì)性要求，給出了多層體育館大跨度主體工程的結(jié)構(gòu)選型過(guò)程，實(shí)現(xiàn)了業(yè)主對(duì)于室內(nèi)空間的特殊使用要求。

（2）對(duì)樓蓋結(jié)構(gòu)采用目前較先進(jìn)的樓面振動(dòng)控制理論與方法進(jìn)行了分析，分析結(jié)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(shí)，由于主要?jiǎng)恿?lì)來(lái)源是體育賽事等的有節(jié)奏運(yùn)動(dòng)，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(dòng)的人員的不適，因此需要進(jìn)行TMD減震設(shè)計(jì)。

②采用TMD對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行減震，共計(jì)使用了頻率分別為2.46Hz、2.68Hz與3.03Hz的TMD 52t，對(duì)樓板做非線性時(shí)程分析（FNA）表明，TMD的減震效果顯著，減震幅度處達(dá)到了72.54％。

③經(jīng)過(guò)TMD減震處理，體育館結(jié)構(gòu)在有節(jié)奏運(yùn)動(dòng)的作用下的最大加速度反應(yīng)均小于50cm/s2，對(duì)于處于運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的人員來(lái)說(shuō)，由于對(duì)加速度不夠敏感，這是可以接受的，同時(shí)也是滿足舒適度標(biāo)準(zhǔn)的。

TU393.3

A

1673-0038（2015）27-0035-03

2015-6-19

謝樹(shù)旺（1976-），男，國(guó)家一級(jí)注冊(cè)工程師，大學(xué)本科，從事鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)15年，主要設(shè)計(jì)大跨度建筑鋼結(jié)構(gòu)及異性曲面雕塑鋼結(jié)構(gòu)工作。