楼盖结构舒适度实用设计方法

李向阳

（身份证号：1309841977****1213）

一、随着我国社会经济的发展和人民生活水平的提高，人们不仅考虑楼板振动带来的结构安全性问题，而且也开始逐步考虑到生活在该建筑里的人的舒适性问题。由于结构分析和设计技术的进步、施工技术的发展、新的高强轻质材料的运用、结构质量和阻尼的减少以及大空间结构在办公室、商场、体育馆、车站、展览馆等公共场所的运用，导致了现代建筑楼板结构更轻、更柔、跨度更大，楼板体系的竖向自振频率越来越低。楼盖结构在外界作用下，例如人行走、机械振动等，很容易产生较为显著的动力响应，这些动力响应将给人的工作、休息乃至身体健康带来巨大的影响，导致建筑中人的不舒适感，极大影响了建筑的使用功能。

二、楼盖结构舒适度控制近20年来已引起世界各国广泛关注，英美等国进行了大量实测研究，颁布了多种版本规程、指南。我国《高层建筑混凝土结构技术规程》JGJ3-2010（以下简称《高规》）的3.7.7条规定楼盖结构应具有适宜的舒适度，并提出了对楼盖结构竖向振动频率和加速度峰值的要求[4]；《混凝土结构设计规范》GB50010-2010（以下简称《混凝土规范》）的3.4.6条规定了不同使用功能的混凝土楼盖结构的最小竖向自振频率；《组合楼板设计与施工规范》CECS273：2010的4.2.4条也规定了楼盖结构竖向振动频率和加速度峰值的限值。

（一）设计中的问题

《高规》3.7.7的条文说明指出：“对于钢筋混凝土楼盖结构、钢—混凝土组合楼盖结构（不包括轻钢楼盖结构），一般情况下，楼盖结构竖向频率不宜小于3Hz，以保证结构具有适宜的舒适度，避免跳跃时周围人群的不舒适。楼盖结构竖向振动加速度不仅与楼盖结构的竖向频率有关，还与建筑使用功能及人员起立、行走、跳跃的振动激励有关。一般住宅、办公、商业建筑楼盖结构的竖向频率小于3Hz时，需验算竖向振动加速度”。《高规》的附录A给出了楼盖结构竖向振动加速度计算的方法。其中A.0.1条建议：“楼盖结构的竖向振动加速度宜采用时程分析方法计算”；A.0.2、A.0.3条给出了在已知楼盖结构竖向自振频率的前提下计算人行走引起的楼盖振动峰值加速度的简化方法。《混凝土规范》3.4.6条仅列出自振频率的限值，《组合楼板设计与施工规范》的4.2.4条列出了自振频率和加速度峰值的限值，但两本规范均没有明确给出自振频率的计算方法。

三、人行走和有节奏运动的动力荷载

人行荷载可能由单人行走、也可能由很多人共同活动引起，荷载作用点不断改变，作用效应与人的步频、体重等因素有关。通常，人行走和有节奏运动对楼盖结构的激励采用不同的荷载函数。

（一）有节奏运动的荷载模型

有节奏运动的荷载模型适用于健身房、体育馆内进行的有氧健身操、健美操和舞厅的跳舞等。另外，在体育馆或体育场举行比赛或大型音乐会时，观看比赛和节目的观众会进行有节奏活动来呐喊助威，这些也包含在有节奏运动的范畴内。参与有节奏运动的人一般较多，与人行走荷载有较大差异，不能用单个集中荷载来模拟。传统上，一般用等效均布动荷载来反映其对楼板体系振动的影响。等效均布动荷载的大小与参与有节奏运动的人数有关，可以根据人的体重和单位面积的人数得到等效均布动荷载。

（二）计算中应注意的问题

与结构设计中常规的强度、变形计算相比，验算楼板舒适度时还需着重注意以下几个方面。

（三）不利振动点的选取

楼板的面积较大，不可能对每点均进行舒适度计算分析，通常根据结构平面布置的情况，选取几个不利振动点进行计算分析。一般的，板跨度小于次梁跨度的0.4倍时，可以不考虑板变形的影响，不利振动点可选择次梁最大挠度处。根据大量的工程经验，连续楼板中间位置的振动较大，靠近楼板边界的位置，一般有柱、墙等竖向构件，边梁等构件刚度也较大，振动较小。在高层建筑结构中，筒中筒的结构体系比较常见，在内外筒之间的角部，当梁刚度较小时，需要考虑此处楼板的振动舒适度问题。

1.有效活荷载

计算需考虑有效活荷载，对正常使用状态的活荷载予以折减。有效活荷载不同于结构设计的活荷载设计值，数值要小很多。有效活荷载的取值直接影响楼板结构的自振频率，并进而影响楼板振动的加速度响应，因此需要慎重取用，取值可参考《高规》A.0.3条。

2.动弹性模量

动力荷载作用下，混凝土的弹性模量要大于静荷载作用时的弹性模量，因此在计算中，对于钢—混凝土组合楼板和混凝土楼板，混凝土的弹性模量可分别放大1.35和1.2倍。

四、结论

本文介绍了我国结构设计规范中对楼盖结构舒适度的控制指标，分析了结构设计工作中存在的问题，基于PKPM系列软件的SLABFIT模块，介绍了楼盖结构竖向自振频率和竖向振动加速度峰值的计算方法。对于已掌握PKPM系列软件结构设计流程的工程师，在进行楼盖结构舒适度设计时，仅需按本文思路：（1）备份模型，在PMCAD中按本文5.2节调整活荷载、按5.3节调整弹性模量；（2）选取不利振动点，按本文第4节的荷载函数施加动力荷载；（3）设置楼盖结构的阻尼比（可参考《高规》表A.0.2）。程序即可完成楼盖结构的自振频率和峰值加速度计算。对于结构设计人员，增加很少的工作量，即可完成楼盖结构的舒适度验算。