武汉某办公大楼楼板舒适度测试分析

徐迪 孙森

现代办公建筑通常采用大跨度的楼板结构体系去实现自由组合空间和开阔的效果。而此类结构体系因为人群办公集中，在人类生产活动中产生的荷载作用下很容易引起结构振动舒适度的问题，振动严重的会影响到建筑使用功能甚至带来安全隐患。因此，建筑结构设计对楼板体系进行舒适度验算分析，建筑结构发现异常振动时对楼板体系进行舒适度验算分析复核及振动实测显得十分重要。本文采用Midas Gen对武汉市某办公大楼的楼板舒适度进行结构分析，结合东华结构动力测试设备对楼板的舒适度实则值进行评价。

一、舒适度评价标准

国内外通行两种舒适度评价标准，一种是基于频率限值，另外一种基于加速度限值。下面对我国相关规范的常见评价标准概括如下：

1.频率控制

国际标准ISO 10137/ATC-40主要是用来预测估计和分析建筑结构中的振动程度，从而评估建筑结构的振动特性。ATC1999年的《减少楼板振动》指出，楼板振动的幅度、振动时间、不同的建筑使用环境和人类活动都会影响振动舒适度。图1所示不同的建筑环境和人类活动下，人类体感舒适度可接受的楼板振动峰值加速度水平。

图1 人类体感舒适度可接受的楼板振动峰值加速度水平

为了避免共振，确保一定水平的舒适度，综合现行CJJ69-95《城市人行天桥与人行地道技术规范》第2.5.4条，JGJ3-2010《高层建筑混凝土结构技术规范》第3.7.7条，GB50010-2010《混凝土结构设计规范》第3.4.6的不同要求：天桥上部结构、建筑楼盖、大跨度的公共建筑竖向自振频率限值为3Hz，办公楼及旅馆竖向自振频率限值为4Hz，住宅与公寓竖向自振频率限值为5Hz。

2.加速度控制

JGJ3-2010《高层建筑混凝土结构技术规范》对楼盖竖向振动加速度峰值相关规定如表1所示，当楼盖竖向自振频率介于2～4Hz之间，峰值加速度限值可线性插值。

表1 加速度限值（m/s2）

《组合楼板设计与施工规范》JGJ3-CECE 273：2010第4.2.4条通过限值振动峰值加速度与重力加速度之比来表征楼板舒适度的要求。当建筑结构为健身房、舞厅或手术室等其他功能房屋或存在结构竖向自振频率小于3Hz或大于8Hz的情况都需要应做专门研究和论证。

表2 振动峰值加速度ap/g限值

二、工程概况

武汉某企业总部办公大楼位于市郊区，框架剪力墙结构，设2层地下室，单塔结构，塔楼最高处地上24层，设5层裙房，建筑檐口高度为99.7m，。裙楼部分设有钢结构夹层，结构平面立面布置如图2所示。混凝土墙、柱、板构件的混凝土随楼层不同强度等级介于C30到C50，钢结构柱、板钢材为Q345B或Q235B。因该建筑顶层有人为感知的楼板振动，受委托，我单位对该总部大厦进行了动力测试数据采集工作。

图2 大楼整体有限元模型

三、动力特性分析

采用Midas Gen软件建立楼盖的有限元模型加人行荷载进行舒适度分析，三层3-4-F-G板楼盖有限元模型如图3所示。

图3 18层3-4-F-G板楼盖有限元模型

楼盖有限元模型参数：

（1）对整栋大楼的局部楼盖建立模型分析可以提高分析的效率和精度。

（2）阻尼一般为0.02～0.05。

（3）楼面荷载。楼板恒荷载取3.5kN/m2，楼屋面面活荷载取2.0kN/m2。

（4）混凝土弹性模量取静荷载作用下的1.2倍即3.0×104N/m2。

（5）边界条件：模型底部固接。

经模态计算，结果如表3所示。

表3 结构主要竖向频率

经计算分析，楼板中点竖向自振频率为3.96Hz，位移谱峰值为44.32mm/s2。

四、实测峰值加速度

环境随机激振法俗称脉动法，其本质是利用建筑物或桥梁等结构使用环境中的风、人行荷载、机械振动等自然因素产生一个天然宽频的激振源，当环境中的某个外界激振频率与结构本身的固有频率比较接近，会引起共振，通过仪器测试采集数据并分析大样本的数据得到结构物的固有频率等特性。为了得到一个足够宽频的激振频率，每次采集数据需要采取较长一段时间以确保这段时间内存在足够多激振频率。脉动记录过程应避免规则的干扰。在本次楼板测试中为了保证测试区域能接收到随机的环境激励包含足够多的频率，每次采样时间为四十分钟左右长的一个小时，采样频率设置为80～100Hz。本次采集大楼动力特性的仪器为东华DH3822，测试十八层3-4-G-H板竖向基频图如4所示。18层楼板测试数据如下表4：

表4 振动数据实测值

图4 十八层3-4-G-H板竖向基频图

从测试数据可以看出，在自然工况状态下，企业总部办公大楼所测测点竖向自振频率在4.00～5.42Hz之间，振动加速度在4.35～34.7mm/s2之间；周边道路竖向自振频率在10.25～10.28Hz之间，振动加速度在4.82～10.53mm/s2之间；在自然工况状态下，企业总部办公大楼所测测点水平向自振频率在1.66～2.78Hz之间，振动加速度在0.55～5.31mm/s2之间。

五、结论

（1）舒适度分析是必要的。房屋结构不同，其振动特性是不同的。通过建模分析及时调整结构，防止结构楼板舒适度不够的情况出现，设计阶段发现问题可以及时解决，以免房屋建成后因房屋舒适度不够而改造房屋造成经济损失。

（2）建筑结构发现异常振动时对楼板体系进行舒适度验算分析复核及振动实测显得十分重要，可以迅速找出问题所在并及时解决。

（3）通过Midas Gen模态分析得到自振频率和东华动力测试的结果相近，模态分析得到的建筑自振频率为3.96Hz，实测自振频率为4.05Hz。该建筑不同部位的竖向自由振动频率符合现行规范要求。

六、结语

现代办公建筑通常采用大跨度的楼板结构体系去实现自由组合空间和开阔的效果。而此类结构体系因为人群办公集中，在人类生产活动中产生的荷载作用下很容易引起结构振动舒适度的问题，振动严重的会影响到建筑使用功能甚至带来安全隐患。本文采用Midas Gen对武汉市某办公大楼的楼板舒适度进行模态分析，结合东华动力测试设备对楼板的舒适度进行评价，证明该大楼楼板舒适度设计功能基本满足使用要求，有效地停息了一些业主的恐慌心情。