行車荷載下大跨度鋼筋混凝土樓蓋舒適度評價★

陳瑞生 周德泓 胡明大 吳劍國

(1．浙江大學，浙江杭州 310000; 2．浙江工業大學建筑規劃設計研究院有限公司，浙江杭州 310000;3．浙江工業大學建工學院，浙江杭州 310014; 4．溫州東甌建設集團有限公司，浙江溫州 325000)

大型空間停車場分為若干層，每一層都能停放車輛，由于鋼筋混凝土結構基頻較低，跨度較大，在承受動荷載比如人行荷載、汽車荷載時結構就會產生較大的豎向位移和豎向振動加速度，從而引發旅客的不舒適感，因此，對其舒適度的評價十分必要。由于人體對振動的感知是由振動加速度或振動速度決定的［1］，所以評價建筑物的使用性能時，進行時程分析和頻域分析才可得出合理的結果。本文運用有限元分析軟件ANSYS，對瑞安客運中心停車站房的一塊大跨度鋼筋混凝土肋梁樓蓋，進行了有限元模態分析以及瞬態分析，獲得了樓蓋的最大豎向加速度。根據ISO 2631-2∶2003［2］上的有關條文和AISC/CISC上有關對加速度的規定進行舒適度的評判。

1 國內外舒適度標準

1．1 國內標準

對于人行天橋，CIJ 69-95城市人行天橋與人行地道技術規范［3］規定，天橋上部結構豎向自振頻率不應小于3 Hz。在JGJ 3-2010高層建筑混凝土結構技術規程中規定了樓蓋結構的豎向振動頻率不宜小于3 Hz，同時規定了豎向振動加速度限制。

1．2 國外標準

1)ISO標準。國際標準化組織(ISO)的標準2631-2∶2003［2］是以涵蓋建筑物的振動環境而編寫的。ISO通過測定人對步行荷載的感知度，確定了一個基本標準，即通過限制最大加速度來規定不同用途建筑物的抗震指標［4］。2)AISC/CISC標準。AISC，CISC在鋼結構設計資料中提出了限制樓板加速度的方法，綜合反映了美國和加拿大的相關研究成果。AISC/CISC樓板加速度限值見表1。

表1 AISC/CISC樓板加速度限值

2 站房舒適度計算

本文采用ANSYS軟件，對瑞安客運中心停車站房進行有限元模態分析以及瞬態分析。停車站房大跨樓蓋模型見圖1。取二層樓蓋中面積和撓度最大的一塊樓蓋板進行分析，樓板尺寸為24 m×84 m，樓板厚為200 mm，將樓蓋板劃分為8×28個，共224個板單元，梁截面的尺寸為2 800 mm×800 mm，1 500 mm×350 mm，2 500 mm×500 mm，1 800 mm×400 mm，見圖2?；炷撩芏? 500 kg/m3，Ex=32 500 MPa，泊松比為 0．3。模型邊界條件為:在柱子處約束豎向自由度和水平轉動自由度;在4條邊界上約束轉動自由度;此外，在互相垂直的2條邊界上分別約束垂直于該邊界方向的水平自由度;在另外的2條邊界上，放松垂直于該邊界方向的水平自由度，見圖2。

圖1 停車站房大跨樓蓋模型

圖2 樓蓋邊界條件

2．1 樓蓋的5階模態分析

應用有限元分析軟件ANSYS，計算出樓板的前5階頻率，如表2所示。由于一般慢速行駛的大客車在地面激振下的頻率2 Hz～5 Hz，在發動機產生振動下的頻率為33 Hz左右［4］，因此不會發生共振。依據CIJ 69-95城市人行天橋與人行地道技術規范規定，天橋上部結構豎向自振頻率不應小于3 Hz，因此基頻滿足舒適度要求。

表2 樓蓋前5階振動頻率

2．2 站房樓板加速度時程分析

假設客車荷載滿載為10 t，在板上的行駛速度為5 m/s，從2層樓板的進口加載，分為19個載荷步，每個載荷步分5個子載荷步。圖3為一輛客車滿載在邊跨行駛的示意圖:箭頭為客車的4個輪子加載點，加載方向沿板的長度方向，對加速度做時程分析，見圖4。選取板上加速度最大的幾個點做比較可得最大峰值加速度為137．67 mm/s2，換算為0．013 8g。根據國際標準化組織發布的ISO 2631-2∶2003［2］，依據前面計算所得的樓蓋一階自振頻率8．3 Hz，依據圖4最上端的曲線，查得滿足舒適度要求的最大峰值加速度為0．050g，因此滿足ISO要求。根據AISC/CISC要求，最大峰值加速度為0．050g，因此也滿足要求。

本文進行了1車中跨、2車并行、2車首尾邊跨、2車首尾中跨等4種工況的時程分析情況亦經過ANSYS分析，其過程同上，因此在此略去。本文還進行了不同汽車行駛速度下的樓蓋結構振動峰值加速度計算，發現結構振動峰值加速度隨汽車行駛速度增大而變大。當兩輛滿載客車在樓蓋的一側以10 m/s的速度即60 km/h行駛時，最大加速度為0．049g，接近允許最大加速度0．050g。因此，該樓蓋的汽車行駛的最大限制速度為10 m/s。

圖3 荷載布置圖

圖4 加速度時程曲線

2．3 各種荷載情況匯總

各種荷載作用下峰值加速度匯總，如表3所示。

表3 各種荷載作用下峰值加速度匯總

以上分析表明該工程站房樓板基頻和振動峰值加速度滿足相關要求。在一側作用有多輛滿載移動車輛荷載時，峰值加速度增加很快，因此在實際應用中應該規定客車的載重，限定速度，并且盡量避免單側的車輛首尾隨行。

3 結語

在設計階段采用有限元方法對工程結構進行舒適度評價是必要的，也是可行的。大跨度鋼筋混凝土肋梁樓蓋結構，在汽車行駛荷載的作用下的峰值加速度與車輛的速度，車輛的行駛方向，車輛的行駛組合等因素有關。車輛行駛速度越快，單方向上的行駛車輛越多，結構的峰值加速度越大。

［1］宋志剛，金偉良．基于人體舒適度的樓蓋豎向振動設計的若干問題［J］．建筑科學，2002，18(2):123-126．

［2］ISO263 i-2(1989)．Evaluation of human exposure to whole—body vibration-Part 2:Continuous and shock．induced vibration in buildings(1 to 80 Hz)［S］．In:ISO 2631/2·1989．

［3］宋志剛，金偉良．振動建筑中人的煩惱率［J］．強度與環境，2002，29(4):51-58．

［4］李 黎，葉志雄，王 欣，等．移動荷載作用下特大懸索橋的行車舒適性［J］．公路交通科技，2007，24(9):46-50．

［5］JGJ 94-2008，高層建筑混凝土結構技術規程［S］．