本溪中国药都展览中心楼盖体系舒适度分析.doc

1、本溪中国药都展览中心楼盖体系舒适度分析摘要:本文以本溪中国药都展览中心为原型，专门针对其楼板体系的舒适度问题进行分析。重点参照美国钢结构协会（AISC）和加拿大钢结构协会（CISC）共同颁布的舒适度标准和计算方法，并同时使用 MIDAS Gen 有限元分析软件模拟分析，将两种方法所得结果对比，还原规规范中给出的计算方法的具体使用情况，以及舒适度标准的评价方法。 关键词:本溪展览中心;楼板体系;舒适度 Abstract: based on Chinese medicine benxi exhibition center as the prototype, especially for the f

2、loor system comfort problems are analyzed. With reference to the United States on steel structure association (AISC) and Canada steel structure association (CISC) issued by the common criterion and calculation method, and at the same time use MIDAS Gen finite element analysis software simulation ana

3、lysis, the two methods the results contrast, reducing gauge standard given in the calculation method of the specific application, as well as the criterion of evaluation method. Keywords: benxi exhibition center; Floor system; comfort 中图分类号：TU242.5 文献标识码：A 文章编号：2095-2104（2012） 0 引言 随着建筑设计、施工技术的发展以及材料

4、性能的改善，刚度强、重量轻的材料已经越来越多地被技术人员使用于建筑结构。同时由于居住者对居住空间的要求更加多样化，为了便于最大限度地自由地进行空间布置，隔墙少、跨度大的平面布局也越来越受欢迎。1然而这样带来的后果就是可能会使楼板在使用过程中存在振动舒适度方面的问题。 无论是对于钢结构或是钢筋混凝土结构，如果在建成后才发现其使用性能存在问题，后期的修复费用会很多且效果也未必理想。因此建立楼板振动对使用性能的评价方法和评价标准，并且在设计阶段就对此进行考虑，可以有助于设计出更经济、更舒适的建筑。 本文在这里对国外评价结构使用性能的方法和评价标准做了一下简单的介绍，并通过本溪中国药都展览中心的计算结

5、果和时程分析的结果进行比较，从而提出了比较合理的使用性能的评价方法和分析步骤。 1.计算案例 本溪药都国际会展中心楼面采用钢筋桁架混凝土楼板与钢次梁组成的组合楼板。其主次梁关系及截面特性如图 1 所示。 二层展厅最大的柱网尺寸为 24m x 30m，采用钢梁混凝土组合楼板主次梁体系。该层的主要使用功能为展览，应对楼板振动引起的展览时对舒适度的影响进行评估。从上面表中可以看出，展览区的振动主要为人行走引起的，人行走引起的楼板振动最严格的控制标准为：fn3Hz，ap0.005g，g 为重力加速度2。 图 1 二层局部楼板布置图 楼板为钢筋桁架混凝土板，恒载 Puc=2.33kN/m2；楼盖单位面积

6、的有效活荷载 Pu=1.0kN/m2；单位面积上次梁自重 Puj=0.975kN/m2；可变荷载 V=2.0kN/m2，计算时取 Vu=10%V。 2.1 计算楼板自振频率 f 楼板体系的基本参数如表 1 所示： 表 1 楼板体系结构基本参数 楼板有效宽度次梁为 524mm、主梁为 1131mm4 分别计算出次梁楼板、主梁楼板和组合楼板体系的自振频率 fj、fg和 fn。 （HZ） (1) 计算主、次梁相应的挠度分别为： (2) 其中为次梁的折算线荷载、为钢材的弹性模量、为组合梁截面惯性矩（如表 1）： (3) 最后算出次梁支撑范围内组合楼板的跨中挠度。 主梁计算方法同次梁一样，其折算线荷载，

7、挠度。最后求得次梁、主梁和组合楼板体系的自振频率分别为： (4) 按照上述公式计算，均大于 3Hz，符合楼盖振动频率的要求。 2.2 计算楼板震动加速度 (5) 式中， ，式中， 为振型阻尼比，取值介于 0.020.05 之间，展览区取为 0.03；W 为楼盖等效有效阻抗重量，所以需要首先计算出楼板系统有效重量 W，计算公式为： (6) 式中 Wj、Wg 分别为楼盖次梁体系、楼盖框架梁体系的有效阻抗重量，计算公式为： W=wBeffL (7) 式中，w 为楼盖单位面积的有效重量恒载有效活荷载1.0kN/m2，L 为梁的跨度次梁 30、主梁 24m，Beff 为计算楼盖有效阻抗重量的有效宽度公式

8、为： (8) Dy 为垂直与梁跨度方向受弯的楼盖单位宽度有效抗弯刚度，Dx 为梁跨度方向受弯时楼盖单位宽度有效抗弯刚度。本工程考虑组合楼板作用的框架梁、次梁和楼板的单位宽度抗弯刚度分别为:Dxg=1.411012Nmm、Dxj=1.791012Nmm、Dy=1.461010Nmm。 楼盖次梁体系、楼盖框架梁体系的有效阻抗重量分别为:Wj=3600kN、Wg=6595kN，楼盖等效有效阻抗重量 W3945kN。 将 W=3945kN 带入到式 5 中，可以得到人行走引起楼板震动的加速度峰值为：，完全满足的要求。因此该会展中心的楼板体系可以满足美国 AISC 标准中对舒适度的要求。 3有限元软件模

9、拟分析 为得到更精确的结果，有必要对该结构进行有限元模拟分析，分析后可以查看结构的各阶自振频率和在不同模态下的各点的加速度峰值，最后确定结构是否符合国际标准的要求。 3.1 建立有限元模型 进行有限元分析时，对整体结构进行了简化，只对楼板的一部分，即选取二层最大柱网尺寸的两榀框架建立了分析模型。作为边界条件，对被切断的楼板跨中约束了旋转自由度。计算模型的梁和柱构件使用了梁单元(Beam)，并假设柱的上下部为固定端。梁的连接部只考虑其平动支承效果，释放了梁的端部旋转约束。对于构成楼板的板单元，自动划分有限元网格的程序，在优化了板单元形状的同时减少了板单元的个数，并在将要施加动力荷载的位置按步距

10、75cm 建立了节点。在柱子的位置，将板单元根据柱子的形状进行了划分，并根据柱子的刚度利用刚性连接功能将该截面内各点设为了刚性连接。 3.2 稳态分析 稳态分析可以得出结构从第一阶振型开始的自振周期，也能得出每一阶振型的振动最不利点，也就是振幅最大容易和步行荷载产生共振的点。结构第一阶振型频率为 3.03Hz 与手算所得 fn=3.08Hz 非常接近，误差小于 2%。 3.3 步行荷载时程分析 由于人体步行频率一般为 1.702.30Hz，频率比较接近稳态分析的第一振型，选取第一振型中的最不利点（模型中为 258 点）加载节点动力荷载，为能取得楼板振动加速度的峰值，这里选用单足步行曲线 M2

11、曲线3的时程荷载函数，并将步行频率设为最大值 2.30Hz 进行分析，一般人在快速行走的时候可以达到这个频率。时程分析分析时长为 12 秒，分析时间步长为 0.06 秒。 时程分析结果可通过图形和文本形式查看。最大位移一般发生在楼板的中央，但最大加速度却未必会发生在相同位置。所以需要对于其它部位也要利用时程分析文本结果查询最大/最小加速度的发生位置。查看时程分析结果表格时显示在动力荷载加载到 0.3 秒时楼板振动加速度达到最大值 0.011446m/s2，与=0.013m/s2 的误差为 11.9%。图 7 为模型在分析到 0.3 秒时的加速度分布形态。 结论 根据美国规范(AISC 标准)对

12、本溪中国药都展览中心进行了舒适度分析，并同时通过有限元分析软件分析模拟与手算得出的结果进行对比。基于国际上广泛采用的标准 ISO2631-1997，对楼板振动舒适度进行了评价，评价结果表明展览中心满足舒适度要求。本文的研究可供国内其他展馆楼板舒适度评价提供参考。同时， 由于楼板舒适度设计还有许多不确定因素，规范中给出的计算方法只能算出楼板特定状态下的加速度峰值，并不能考虑到多种情况下的不同加速度，比如人在运动时产生的动力荷载和在步行时的荷载并不相同。本文只针对展览中心的实际使用情况对其在步行荷载下的加速度进行了分析。 参考文献 1娄宇，黄健，吕佐超.楼板体系振动舒适度设计S.北京：科学出版社，2012 2Floor Vibrations Due to Human Activity.美国钢结构协会/加拿大钢结构协会，钢结构设计系列. 3AISC/CISC Steel Design Guide Series No.11:Floor Vibrations Due to Human Activity S. American Institute of Steel Construction，Inc.，USA，1997. 4中华人民共和国行业标准.高层民用建筑钢结构技术规程（JGJ 99-98）S.北京：中国建筑出版社，1998