南京市建筑设计研究院有限责任公司 江苏南京 210001
摘要：大跨钢桁架混凝土楼盖竖向自振频率与人行频率接近，容易产生共振，影响建筑正常使用功能。本文介绍了某工程采用TMD对楼盖进行消能减振，计算结果表明，钢桁架混凝土楼盖竖向加速度与减振前相比减少40%左右，减振效率明显，减振方案可行。
关键词：楼盖舒适度；TMD减振；竖向加速度；人行荷载
1.引言
某工程多功能厅要求形成大跨空间，跨度约36.3米，综合考虑结构及设备专业要求，大跨梁采用钢结构桁架梁，钢结构桁架梁上采用钢筋混凝土楼盖。一般情况下，楼盖结构的竖向振动频率不宜小于3Hz，且要控制结构竖向振动加速度，以保证结构具有适宜的舒适度，满足建筑正常使用要求。
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图1 结构10阶模态振型(竖向振动第二阶f=2.3Hz）
采用有限元程序Midas/GEN对该结构进行减振前动力特性分析，结果表明结构在第10阶模态振型是该结构第2阶的竖向振动振型，其表现为三层楼盖的竖向振动，其频率值为2.3Hz，最为接近人行频率范围，极易引发楼盖共振。因此该竖向振型是需要进行减振设计考虑的主要振型[1]，结构第10阶模态振型如图1所示。
2.人行荷载及楼盖加速度
根据建筑要求，将人群荷载均布在钢桁架楼面上，为对比楼盖与人群共振与非共振两种状态下的结构加速度，设置表1中所示的6种工况进行分析。该6种工况定义考虑了结构的实际使用功能，并按照人群密度分别为1.0、2.0人/m2，分别取人行按荷载频率为1.0Hz、2.0Hz和2.3Hz的情况来考虑对结构产生的影响。当行人密度超过1.0人/m2时，行人相互之间的距离变得很小，已不能按本人意愿自由地行走。人群密度较高的情况下，行人之间的步频已基本同步，只是相位不同，按照随机概率分布模拟方法，可以总结出高密度情况下等效人数计算公式[2]：Np=1.85n^0.5。
在上述人行载荷工况下，选取结构不利位置上振型位移相对较大（此模型则为跨中最大位移附近区域）的节点作为考查对象。在有限元模型中添加相应的模拟人群连续行走的荷载曲线，对楼盖结构进行人行荷载激励下的动力响应分析。
表1 步行分析工况定义及楼盖加速度响应
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计算结果表明，在模拟人行载荷激励下，不同人群密度作用下的楼盖的危险节点加速度数值不同，当相应人群密度是2.0人/m2时，楼盖的危险节点加速度最大值为0.25m/s2，超过了舒适度要求的限值，不满足规范要求，须对此楼盖进行减振设计。
3.TMD减振分析
根据本工程的特点[3]，决定对该钢桁架混凝土楼盖进行消能减振设计，采用多点TMD-粘滞流体阻尼器消能减振系统。经过计算分析，拟在该结构三层和四层楼盖上共布置24套TMD减振装置。每套减振装置由粘滞阻尼器和调频质量阻尼器组成，包括弹簧减振器、粘滞阻尼器和万向铰等。减振装置参数见表2。
表2 减振系统计算参数
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图2a 三层楼盖TMD布置图
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图2b 四层楼盖TMD布置图
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图3a 减振后楼盖在人群密度(1.0人/m2)作用下危险节点加速度时程响应
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图3b 减振后楼盖在人群密度(2.0人/m2)作用下危险节点加速度时程响应
表3 最不利工况作用下减振前后危险节点加速度峰值对比
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按照上述设计的TMD参数并模拟安装TMD装置后（安装位置如图2所示），采用MIDAS软件进行人行模拟荷载作用下动力响应时程分析，可以得到危险节点处在减振后的加速度峰值计算结果如图3所示，表3列出了危险节点处结构减振前后的加速度峰值数值及减振效率。结果表明，减振后钢桁架混凝土楼盖危险节点加速度最大值为0.145 m/s2，满足规范要求。
4.结论
（1）在特定的人群密度及行走频率作用下，钢桁架混凝土楼盖危险节点加速度不满足规范要求，影响结构正常使用，需要对其进行减振控制。
（2）本工程采用TMD减振控制后，钢桁架混凝土楼盖竖向加速度与减振前相比减少40%左右，减振效率明显，减振方案可行。
参考文献
[1]李婷婷. 基于调谐质量阻尼器的大跨楼板振动控制[D]. 辽宁:大连理工大学 2012.
[2]操礼林,李爱群,陈鑫,张志强. 人群荷载下大型火车站房大跨楼盖振动舒适度控制研究[J]. 土木工程学报. 2010(S1):334-340.
[3]白力更,刘琼祥,刘维亚. 组合楼盖振动控制[J].钢结构, 2014(4):9-13.