某文化中心綜合體空中連廊TMD減振控制分析

汪秀清，曾祥威

(廣州大學(xué) 土木工程學(xué)院，廣東 廣州 510006)

0 前 言

人致工程結(jié)構(gòu)振動(dòng)問題由來已久[1],并且隨著現(xiàn)代科學(xué)和社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人們對(duì)居住環(huán)境以及建筑的美觀、安全性及舒適度的要求愈來愈高。目前，越來越多的文化中心綜合體將出現(xiàn)在人們的生活中。這些綜合體一般都是建筑造型新穎復(fù)雜，體型不規(guī)則，且多為大跨樓蓋、懸挑結(jié)構(gòu)等輕柔結(jié)構(gòu)[2]。這也對(duì)其結(jié)構(gòu)上空中連廊振動(dòng)舒適度的減振控制提出了新難題。

振動(dòng)控制技術(shù)作為土木工程中降低結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)的有效手段，已被工程技術(shù)人員和業(yè)主廣泛接受。經(jīng)典的控制裝置有很多種，如粘性阻尼器[3]、調(diào)諧質(zhì)量阻尼器(TMD)[4]、主動(dòng)控制主動(dòng)筋[5]等。

本文以某文化中心綜合體的第三層處空中連廊為研究對(duì)象，應(yīng)用TMD技術(shù),采用多點(diǎn)TMD減振控制系統(tǒng)進(jìn)行結(jié)構(gòu)在不同行人荷載模式作用下的減振控制來減小空中連廊的振動(dòng)加速度，改善使用舒適度。其TMD的相關(guān)參數(shù)設(shè)置及布置方式也為類似工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供一定的參考。

1 工程概況及計(jì)算模型

該文化中心綜合體整體長度約為364 m，寬約為129 m。本文研究的部分工程結(jié)構(gòu)總長度約為31 m，總寬度約為30 m，該綜合體的梁板構(gòu)件材料分別為Q345鋼和C30混凝土。其中在第三層懸挑區(qū)域樓板豎向振動(dòng)加速度不滿足人體舒適度要求。采用MIDAS Gen軟件對(duì)該懸挑區(qū)域進(jìn)行樓板舒適度分析，如圖1所示。

(a)整體結(jié)構(gòu)三維效果圖

(b)截取后第三層空中連廊三維效果圖

本工程按照室外樓板規(guī)定計(jì)算分析，人行荷載產(chǎn)生的樓板豎向振動(dòng)最大加速度峰值限值定為0.15 m/s2(步行)和0.3 m/s2(跑步)。

分析截取后第三層空中連廊的豎向振動(dòng)響應(yīng)取第一階模態(tài)的頻率(2.62 Hz)作為結(jié)構(gòu)的第一階豎向自振頻率，考慮到分析人行荷載作用下的結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)，因而接下來的分析將結(jié)構(gòu)前二階豎向振型作為研究對(duì)象，其中第二階模態(tài)的頻率為3.59 Hz。前二階豎向振型圖如圖2所示。

(a)第三層空中連廊第一階豎向振型

(b)第三層空中連廊第二階豎向振型

2 計(jì)算工況和TMD布置方案

通常情況下，人的各種不同活動(dòng)行為都具有不同的頻率范圍。實(shí)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)得到的人步行頻率為1.5～2.5 Hz，當(dāng)頻率大于2.5 Hz時(shí)一般認(rèn)為活動(dòng)為跑步或跳躍的形式。因此，本工程定義的人群運(yùn)動(dòng)模式為：隨機(jī)人群運(yùn)動(dòng)(考慮共振)，即本工程樓板中隨機(jī)走動(dòng)人群的密度統(tǒng)一為1人/m2，其中同步人群的運(yùn)動(dòng)頻率與結(jié)構(gòu)振動(dòng)頻率相同(考慮最不利情況)。具體工況如表1所示。

表1 樓板人行荷載工況定義

根據(jù)本工程的實(shí)際特點(diǎn)，其在人行荷載作用下的豎向振動(dòng)已超過規(guī)范限值要求，因此，采用多點(diǎn)TMD減振控制系統(tǒng)對(duì)該第三層空中連廊進(jìn)行振動(dòng)控制設(shè)計(jì)，TMD的相關(guān)參數(shù)設(shè)置如表2所示。將TMD安裝在第三層懸挑區(qū)域下桁架梁板下部，為保證TMD設(shè)計(jì)、安裝及檢修的安全性和可操作性，圖3中每個(gè)位置處的TMD重量設(shè)計(jì)成2 t。其中，紅色圓圈為TMD1布置處、黃色圓圈為TMD2布置處、黑色圓圈為TMD3布置處。

表2 TMD設(shè)計(jì)參數(shù)

3 結(jié)構(gòu)TMD減振控制分析

第三層空中連廊上截取的不同節(jié)點(diǎn)如圖4所示。其中，在不同行人荷載模式作用下，第三層空中連廊在工況GK-1下最大加速度峰值在節(jié)點(diǎn)7 474處，工況GK-2～GK-9下最大加速度峰值在節(jié)點(diǎn)7 472處。

圖4 體育館取的部分節(jié)點(diǎn)的示意圖

結(jié)構(gòu)在隨機(jī)步行(GK-1～GK-4)工況激勵(lì)作用下，樓板最大峰值加速度為0.17 m/s2(GK-4，節(jié)點(diǎn)7 472)，不滿足限值0.15 m/s2的要求；在隨機(jī)跑步(GK-5～GK-9)工況激勵(lì)下，樓板最大峰值加速度為0.34 m/s2(GK-6，節(jié)點(diǎn)7 472)，不滿足限值0.3 m/s2的要求。安裝TMD后樓板在工況(GK-1～GK-9)均能滿足限值要求，其中，第三層空中連廊中部分樓板節(jié)點(diǎn)7 472、7 474的豎向振動(dòng)加速度反應(yīng)時(shí)程曲線如圖5所示。

(a) 人致荷載GK-1工況

(b) 人致荷載GK-2工況

(c) 人致荷載GK-3工況

(d) 人致荷載GK-4工況

(e) 人致荷載GK-5工況

(f) 人致荷載GK-6工況

(g) 人致荷載GK-7工況

(h) 人致荷載GK-8工況

(i) 人致荷載GK-9工況

計(jì)算分析得到，在工況GK-4樓板節(jié)點(diǎn)7 472最大峰值加速度響應(yīng)由0.17 m/s2降低到0.11 m/s2，減振效果達(dá)到38.33%，在工況GK-5樓板節(jié)點(diǎn)7 472最大峰值加速度響應(yīng)由0.34 m/s2降低到0.11 m/s2，減振效果達(dá)到67.19%，由此看出，該文化中心綜合體第三層空中連廊安裝TMD系統(tǒng)后，有效地改善了樓板在隨機(jī)人群荷載作用下的振動(dòng)舒適度。

4 結(jié) 論

本文對(duì)某文化中心綜合體第三層空中連廊進(jìn)行了9種人行荷載工況下的減振控制設(shè)計(jì)與分析，通過該結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性和無控、有控動(dòng)力響應(yīng)的計(jì)算分析可知，通過在結(jié)構(gòu)的樓板設(shè)置TMD減振控制裝置，有效抑制了樓板在人群隨機(jī)荷載作用下和連續(xù)人行荷載作用下的振動(dòng)響應(yīng)，使該樓板在一般人群隨機(jī)荷載(步行、跑步)工況下的豎向振動(dòng)峰值加速度響應(yīng)均滿足規(guī)范限值要求，保證了結(jié)構(gòu)的振動(dòng)舒適度。

[ID:009614]