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1、超高层建筑办公楼面竖向振动舒适度分析虞终军;丁洁民;阮永辉;王玲【摘 要】For the requirements of building function , the span of steel deck- conrete floor systems hecomes larger and the weight becomes lighter to provide an ample intier space for office building and for the high speed in construction. Since the vertical vibration probl
2、ems may occure in this type of floor system, this paper focuses on the floor vibration serviceability analysis and assessment of one ultrahigh-rise building for office purpose. Acceleration limit and dual-control criteria, which were approved reasonable home and aboard, were adopted in this paper. T
3、he natural frequency and acceleration responses of the composite floor were respectively calculated from the A1SC standard and FEM analysis. The results show that bolh the natural frequency and the acceleration responses of the floor meet the limit requirement of current standards. And the computing
4、 method of natural frequency suggested by AISC was approved reliable but the acceleration responses are a little bit conservative. Both the modal and transient analysis results of FEM show that the effect of vibration should be considered in a floor structure with a suspended part.%超高层建筑由于其建筑功能的需求，如
5、办公空间的宽敞导致了楼 盖跨度增大,或是由于施工速度的要求,通常采用的铜-混凝土组合楼板致使楼盖结构 整体偏柔,这些因素都会导致此类楼盖可能存在竖向振动舒适度问题.对某一起高层 建筑办公楼盖体系进行了竖向振动舒适度分析和评估,采取国内外较认可的频率、 加速度双控标准来评估其竖向振动舒适度先后采用了 AISC规范和有限元软件对钢-混凝土组合楼板的自振频率和人行荷载下的加速度进行了计算,结果显示该工程楼 盖自振频率与加速度响应都满足我国规范的限值要求；AISC规范在组合楼盖自 振频率计算方面较为可靠,而加速度响应计算偏于保守.模态分析和瞬态分析结果表 明,具有悬挑部分的组合楼盖需要着重考虑悬挑楼板
6、区域的振动影响.期刊名称】结构工程师年(卷),期】2012(028)001【总页数】7页（P14-20） 【关键词】 超高层建筑;组合楼板;竖向振动;舒适度;人行荷载【作 者】 虞终军;丁洁民;阮永辉;王玲【作者单位】 同济大学建筑设计研究院（集团）有限公司,上海 200092;同济大学建筑 设计研究院（集团）有限公司,上海 200092;同济大学建筑设计研究院（集团）有限公司, 上海200092;同济大学建筑设计研究院（集团）有限公司,上海 200092【正文语种】 中 文1引言近年来，随着新型高强轻质材料的运用和施工技艺的日益提高，大跨度钢-混凝土 组合楼盖在高层建筑、体育建筑及大跨空间结
7、构中的使用日趋广泛，用以满足大空 间、开敞式办公等功能要求。大跨度楼盖阻尼较小、柔性大、基频低，在人的活动 和其他动力作用下会产生竖向振动，当振动超过一定限度就会引起使用者的不安和 心理恐慌。组合楼板设计的适用性要求包括刚度（挠度）及振动（共振）两大方面。刚 度要求一般通过控制楼板静力下挠度及裂缝来满足，但由于未考虑惯性特性，因此 并不能确保楼板不发生共振问题。作为最直接与使用者接触的结构部件，大跨度组 合楼板的振动舒适度评估，已经成为结构设计中所必须考虑的重要适用性要求，与 承载力要求一起成为大跨度组合楼板设计的控制因素。某超高层建筑座落于城市综合交通枢纽区地块，塔楼的结构体系为带支撑及环带
8、的框架-核心筒结构体系。外围框架柱采用D=2.4 m的钢骨混凝土圆柱，其截面往上减收，与内部核心筒、竖向支撑、环带桁架等共同形成主体结构的承载体系。塔楼的建筑功能主要为办公，地上67层、地下4层，建筑高度300 m，结构高 度295.35 m，地上建筑面积约25.2万m2。塔楼平面柱网尺寸为10.5 m;核心筒 尺寸约为32.0 mx32.0 m;框架柱距核心筒外墙约10.3 m，方形平面的最大尺寸 为58.2 m;四个角部悬挑最大尺寸约10.8 m，最小尺寸2.7 m（图1）。图1办公楼层示意图Fig.1 The floor plan压型钢板-混凝土组合楼板在我国高层建筑结构中得到了越来越多
9、的应用。超高层 建筑一般会作为城市的地标性建筑，其结构设计的要求也更为严格与全面。为满足 未来作为高档写字楼、高档酒店的功能性需求，本文针对此超高层建筑办公典型组 合楼盖体系，依据国内外现行的规范标准对其竖向振动舒适度特性进行分析与评估 2 舒适度评价标准以及计算方法2.1 评价标准 楼盖系统通常由主梁、次梁、楼板以及墙、柱等支承构件组成。根据振型的特征， 楼盖系统的振动特性可分为低阶模态和高阶模态。周期较长的低阶模态所对应的振 型通常表现出整体变形的特征，而周期较短的模态所对应的振型通常表现出局部变 形的特征。因此，组合楼盖竖向振动舒适度评估采用楼板整体振动特性与楼板局部振动特性的 双控标准
10、。前者控制楼面结构的整体振动特性高于典型的人行步频，防止出现人行 激励下可能出现的共振;后者控制典型楼板区域的最大加速度幅值不超过限值，防 止出现局部激励下引起的舒适度问题。采用双控标准，一方面为控制楼面整体振动 特性高于典型的步行频率，以防止人的活动能量较高频谱范围内激发出整体振动; 另一方面为控制楼板的局部振动特性，防止能量较低的局部激励激发出局部高阶振 型。故本文根据现有针对组合楼板振动的研究资料与实测结果，采用频率与加速度双控 标准对本工程组合楼板的振动舒适度给出客观的评价。2.2 国内外规范需要特别指出的是，由于人体对振动的敏感程度具有强烈的个体特征，而且与所处 的环境及当时的运动状
11、态有关。因此，目前各种规范中对舒适度的定义标准并不统 一。对于加速度限值标准，不同版本的iso标准对最大加速度限值也有不同的规 定。这是因为人们对楼面振动的反应是非常复杂的，涉及振动的大小、周边环境和 具体的人员。例如一个持续的振动比瞬间的振动更让人不舒服。在繁忙区域的人的 可忍受程度比安静区域的人高。人们对振动的反应与其从事的活动有很大关系。人 们的敏感程度也和振动持续长度以及与振动源的距离有关。图2是被普遍使用的 人类舒适度标准(2631/2:1989)1,从中不难看出，楼板频率在48 Hz之间 时，人能容忍的加速度限值较低。超出此范围，人们的容忍限值有所提高。图 2 ISO 人类舒适度标
12、准 2631/2:1989Fig.2 Severability standard(iso)2631/2:1989对于频率标准，早期我国规范高层民用建筑钢结构技术规程 (JGJ 9998)2 对钢-混凝土组合楼板振动舒适度采用频率限值，自振频率应控制在15 Hz以上。这一规定往往在设计中难以满足，根据以往实测的结果，如果组合楼板自振频率在12 Hz以下，产生振动的可能性较大;欧洲规范，如Bachman和Ammann(1987) 规定楼板自振频率不得小于9 Hz 3 ；而加拿大国家建筑法规(NBC)规定楼板的 自振频率要大于5 Hz。我国现行规范组合楼板设计与施工规范(CECS 273:2010)
13、和处于送审阶段的高层建筑混凝土结构技术规程(JGJ 3-201X)都采用美国钢结构协会委员会 (AISC 5 )针对人行荷载下组合楼盖的振动舒适度评估提出的加速度限值方法或 者频率、加速度限值双控标准;日本建筑学会给出了结构竖向振动评估曲线(AIJES- V001-2004) 4，如表1与图3所示。表 1 性能评价曲线定义式 Table 1 Definition of performance assessing curves? 我国规范CECS 273:2010的双控标准指出“组合楼盖在正常使用时，其自振频率 f n不宜小于3 Hz，亦不宜大于8 Hz，且振动峰值加速度a p与重力加速度g之
14、比不宜大于表列中的限制”(表2)6。本文采用组合楼板设计与施工规范 (CECS 273:2010)作为楼盖体系竖向振动舒适度的评估标准。图 3 竖向振动性能评价曲线 Fig.3 Performance assessing curves of vertical vibration表 2 规范加速度限值 Table 2 Acceleration limit of code?3频率与加速度响应计算3.1 计算方法AISC针对人行荷载下组合楼盖的振动舒适度提出了设计方法，且被我国规范所采 用。该规范采用表1规定的最大加速度限制方法，给定荷载下楼板的最大加速度 按如下的简化计算公式计算:式中，a p/g
15、为估算的峰值加速度与重力加速度的比值;f n为楼盖基频(Hz);p0为 激励的力常数(kN)；p为模态阻尼比;W为楼盖系统的有效重量(kN)。 上述公式中楼板振动频率及楼板体系有效质量的计算要求如下。楼盖结构的阻抗有效重量w可按下列公式计算：式中，为楼盖单位面积有效重量(kN/m2)，取恒载和有效分布活荷载之和，楼层有 效分布活荷载，对办公建筑可取0.55 kN/m，对住宅可取0.3 kN/m2儿为梁跨度 (m);B为楼盖阻抗有效质量的分布宽度(m);C为垂直于梁跨度方向的楼盖受弯连续 性影响系数，对边梁取1，对中间梁取2。楼板主梁、次梁的自振频率可以利用均布荷载下简支梁的基本自振频率方程获得
16、:式中，g为重力加速度，9.86 m/s2;E s为钢材的弹性模量;I t为力矩的转动惯量;w 为单位长度的均布重力(实际值，非设计值，包括活载与恒载);L为构件跨度。 对于受均布荷载的简支梁，上式可以简化为式中，为由所承受重力的相对跨中挠度Q=5wL4/384E s I t),注意有时计算 时也必须考虑剪切变形。对于组合频率计算，如果所有的主、次梁与大梁都假定为简支边界条件，则由Dunkerley关系式1/f2n = 1/f2j+1/f2g(其中，f j为次梁的振动频率，f g为主梁 的振动频率)可知:式中,Aj,Ag分别为主次梁的相对跨中挠度。表3人行走作用力及楼盖结构阻尼比Table 3 Human-induced load and damping ratio of the floor注:表中阻尼比用于普通钢结构和混凝土结构，轻钢 混凝土组合楼盖的
