广州大学土木工程学院 广州 510006
摘要：以某观景平台楼梯模型为背景，采用TMD进行结构在不同人行荷载模式作用下的减振控制。利用软件SAP 2000建立了其有限元模型。以IABSE单人荷载为基础，通过多点输入不同人形荷载对该楼梯结构进行了人形舒适度分析，分析结果表面，当该结构基频接近人形频率时，TMD可以减小结构的竖向振动加速度，使其具有适宜的舒适性。
关键词：楼梯结构；人形荷载；TMD；舒适度
Research on TMD vibration deduction control in stair model of the observation platform
YANG ye，LAN Yucheng
（School of Civil Engineering，Guangzhou University，Guangzhou 510006，China）
Abstract：TMD is used to control the vibration of the structure under the action of different pedestrian loading modes with a certain viewing platform stair model as the background.The finite element model was established by using SAP 2000.On the basis of IABSE single person load.The humanoid comfort of the staircase structure is analyzed through the input of different humanoid loads from multiple points.The analysis results show that when the fundamental frequency of the structure is close to the humanoid frequency.TMD can reduce the vertical vibration acceleration of the structure and provide it with appropriate comfort.
Keywords：Structure of the stairs；pedestrian loading；TMD；Humanoid comfort
0 引 言
随着我国社会经济较快发展，人们对居住环境以及建筑的美观、安全性及舒适度的要求愈来愈高。目前，越来越多的观景平台出现在人们的生活中，其楼梯结构造型往往复杂，体型较不规则且结构较轻柔。我国规范对结构竖向自振频率进行规定，《高层建筑混凝土技术规程：JGJ 3-2010》[1]、和《组合楼板设计与施工规范：CECS273：2010》[2]要求楼盖结构的竖向振动频率不宜小于3Hz。文献[3]、文献[4]对大型火车站房的大跨楼盖进行舒适度分析。本文以某楼梯模型为例，分析行人正常行走和跑步行走的振动舒适性。
1 工程概况与计算模型
该工程所分析的楼梯模型面积约为70m2。本文采用SAP 2000软件对该结构进行楼板舒适度分析，该整体结构效果图如图1所示，截取的楼梯效果图如图2所示。观景楼梯结构模型为研究对象，运用多点TMD减振控制系统进行结构在不同人形荷载模式作用下的减振控制来减小结构竖向振动加速度，改善其舒适性。经典的控制装置有很多种，如粘性阻尼器[2]、频质量阻尼器等[3]。
图2 截取后的楼梯效果图
分析截取后楼梯结构的竖向振动响应取前2阶模态频率2.06Hz、2.67Hz作为结构的第一阶及第二阶竖向自振频率。
2 荷载工况与TMD布置方案
通常情况下，人的各种不同活动行为都具有不同的频率范围。实验统计得到的人步行频率为1.5-2.5Hz，当频率大于2.5Hz一般认为活动为跑步或跳跃的形式。因此，本工程定义的人群运动模式为：随机人群运动（考虑共振）；跑步运动（考虑共振），跑步荷载工况的设置采用IABSE规范中模拟跑步荷载方式。具体工况如表1所示。
表1 人形荷载工况定义
根据本工程的实际特点，其在人行荷载作用下的竖向振动已超过规范限值要求，因此，采用多点 TMD减振控制系统对该楼梯模型进行振动控制设计。经优化分析，需要布置一个2吨的TMD、一个1吨的TMD和两个0.8吨的TMD，此时人行荷载作用下楼板能达到最优的减振效果，具体减振效果分析详见下一节，TMD系统安装示意图如图4所示。TMD设计参数见表2所示。
表2 TMD设计参数
图3 TMD系统安装示意图
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3 结构TMD减振控制分析
加速度提取点布置如图5所示。在10种荷载工况作用下，结构部分节点加速度峰会超过限值。如连续行走工况中，GK-1中3-7号节点、GK-5的1-11号节点的竖向加速度峰值超过振动加速度限值0.15m/s2；跑步工况GK-8、GK-9、GK-10各节点的竖向加速度峰值超过振动加速度限值0.30m/s2
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图4 加速度提取点示意图
本工程对楼梯模型进行了10种人行荷载工况下的减振控制设计与分析，通过该结构的动力特性和无控、有控动力响应的计算分析与反复试算，制定了结构TMD减振控制方案，并选取了TMD计算参数。竖向振动加速度反应时程曲线如图6所示，结果表明：
1.结构在随机人行荷载作用下，在连续步行（GK-1~GK-7）工况激励作用下，结构最大峰值加速度为0.967m/s2（GK-6，节点5），不满足限值0.15m/s2的要求；安装TMD后结构在GK-1~GK7均能满足舒适度限值要求，且节点6在工况GK-6人行激励下最大峰值加速度响应由0.903m/s2降低到0.098m/s2，减振效果最大达到89.10%；在跑步（GK-8~GK-10）工况激励作用下，结构最大峰值加速度为5.740m/s2（GK-10，节点5），不满足限值0.30m/s2的要求；安装TMD后结构在GK-8~GK10均能满足舒适度限值要求，且节点5在工况GK-10人行激励下最大峰值加速度响应由5.740m/s2降低到0.253m/s2，减振效果最大达到95.60%。由此可以看出，楼梯结构在安装TMD系统后，大幅地改善了楼板在随机人群荷载作用下的振动舒适度。
2.通过在结构上设置TMD减振控制系统，使该楼板在一般连续步行荷载工况下的竖向振动峰值加速度响应均满足舒适度限值0.15m/s2的要求；跑步荷载工况下的竖向振动峰值加速度响应均满足舒适度限值0.30m/s2的要求。
（b）GK-6人致荷载作用下提取点4加速度时程曲线对比
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（c）GK-3人致荷载作用下提取点4加速度时程曲线对比
图5 人致荷载作用下结构部分节点加速度时程曲线对比
4 结语
本文对某楼梯模型进行10种人行荷载工况下的减振控制设计与分析，通过该结构的动力特性和无控、有控动力响应的计算分析可知，通过在结构的竖向变形较大处设置TMD减振控制装置，有效抑制了楼梯在人群随机荷载作用下和连续人行荷载作用下的振动响应，使该楼板在一般人群随机荷载（步行、跑步）工况下的竖向振动峰值加速度响应均满足规范限值要求，保证了结构的振动舒适度。
参考文献：
[1] 高层建筑混凝土结构技术规程：JGJ 3-2010[S].北京：中国建筑工业出版社，2011.
[2] 组合楼板设计与施工规范：CECS 273：2010[S].北京：中国计划出版社，2011.
[3] 周德良，李爱群，周朝阳，等.长沙南站大跨度候车厅楼盖竖向舒适度分析与检测[J].建筑结构，2011，41（7）：24-30+88.
[4] 李爱群，陈鑫，张志强.等.大跨楼盖结构减振设计与分析[J].建筑结构学报，2010，31（6）：160-170.