基于加速度响应的大跨度预应力次梁楼盖竖向振动分析

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基于美国钢结构协会(AISC)所提出的关于楼盖峰值加速度的舒适度评价标准,本文以某实际大跨度预应力次梁楼盖工程为背景,通过改变结构的梁高、板厚、平梁底板厚度形成11种楼盖方案。对各楼盖方案进行单人加载模拟分析并研究结构自振频率、结构阻尼比、荷载频率、人体自重及荷载类型等因素在楼盖振动过程中的影响规律。此外,对包括3人工况、9/10人工况、20人工况在内的18种多人同步运动(包括低、中、高频荷载工况)进行模拟分析。主要研究成果有:(1)根据前期研究成果,通过调整楼盖的预应力次梁高度、楼板厚度、平梁底板厚度等结构布置参数,设计出用于大跨度预应力次梁楼盖的11种结构布置方案,并建立相应的ANSYS三维实体有限元模型。(2)在前期研究成果的基础上,通过有限元模型的模态分析研究相关结构布置参数对楼盖竖向振动频率的影响规律。结果表明,从提高楼盖自振频率的角度来看,增大预应力次梁高度、增设平梁底板是有效措施,而增加楼板厚度的效果并不确定。(3)提取各楼盖前六阶模态后,采用模态叠加法进行各方案瞬态动力分析,结果显示楼盖的竖向振动加速度响应主要受楼盖结构及荷载作用两个方面的影响,具体因素包括:楼盖的自振频率、质量、刚度、阻尼比,以及人致荷载的类型、频率及人体自重等。(4)随着结构阻尼比的增大,楼盖竖向振动峰值加速度明显下降。这一规律可以在楼盖竖向振动控制中加以利用。(5)在随着人致荷载频率的增大,楼盖峰值加速度总体水平呈递增趋势。同时,对于与本工程类似的楼盖结构中,当荷载频率与楼盖自振频率的1/2或1/3接近时,因发生类共振而使楼盖峰值加速度出现极大值。(6)单人与多人的跳跃荷载、行走荷载模拟分析结果表明,三分频情况下跳跃荷载响应可能达到行走荷载响应的3.58~3.81倍,二分频则为4.79~5.02倍。因此,相同频率的跳跃荷载比行走荷载更为不利。(7)增大预应力次梁高度可减小楼盖竖向振动的峰值加速度(类共振情况除外);改变楼板厚度对于控制峰值加速度的效果不确定;增设平梁底板可显著降低峰值加速度,但进一步增大底板厚度的效果并不显著。(8)在类似于本工程的条件下,二分频类共振引起的竖向振动加速度最大,可能对楼盖舒适度设计起控制作用。但是,当结构基频大于人致荷载频率范围2倍时,应同时考虑三分频类共振响应以及较高频率人致荷载下的非类共振加速度响应。(9)在对楼盖类共振情况的舒适度评价中,AISC所提出的楼盖峰值加速度评价标准适用性良好。但是,对于非类共振的情况,楼盖峰值加速度可能只会持续较短的时间,因而有必要综合考虑加速度幅值与其作用时间的影响,改用更为合理的舒适度评价标准。
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