摘 要:为研究现浇预应力混凝土空心楼盖的振动特性,对四块净跨为8-15.2m、四边简支和四边?固的空心楼盖进行了有限元模态分析,计算结果表明,现浇空心板的跨度越大,其基频越低,也越容易引起人的不舒适感。最后本文给出了减小楼板振动影响的措施。
关键词:现浇预应力混凝土空心楼盖;振动频率;有限元分析方法
中图分类号:TU375.2 文献标识码:A
Study on vibration serviceability of cast-in-situ pre-stressed concrete hollow floor structures
Liu Hongyan
Tangshan Heating Power Company, Tangshan 063000
Abstract: To study the vibration serviceability of cast-in-situ pre-stressed concrete hollow floor structures, the finite element dynamic analysis of four pieces of simply supported hollow floor structure with span of 8～15.2m was performed. Calculation results of show that the span of the hollow floors is larger, the first vibration frequency is smaller, and more easy to case the unserviceability. At last the advices to minish the influence of vibration is present.
Keywords: cast-in-situ pre-stressed concrete hollow floor structure;;finite element analysis method
当楼板或者结构框架发生振动时,人会感觉不安和不适。因此,人们往往都会把结构振动作为结构不安全的标志,希望结构在正常使用条件下能保持静态,不发生在振动。实验研究表明,人能承受的结构振动幅度远低于正常设计中能引起结构损坏的振动幅度。
现浇预应力混凝土空心楼盖结构近年来在国内新兴的结构形式,其特点是轻质,灵活。正是由于空心楼盖的这些特点,其振动特性也逐渐为设计者和使用者所关注。
1楼板振动对人的影响
对于民用建筑,楼板振动最显著、最普遍的激励来自楼板上人们行走的影响。通过人行走引起的楼板竖向力模型可以推出作用在楼面的激励反应谱。
楼盖系统的振动模型一般为共振模型,其原理如图1[1]。
人们对楼板振动的感受表达不尽相同,总体来讲与楼板振动频率有比较密切的关系。当振动频率在3-10Hz的范围内时,人体胸腔和腹腔内的大部分器官都会与结构振动发生共振而且此时人体的隔振能力会降到最低水平,因而此频率范围内的振动最易使人体感觉不舒适。频率低于1Hz的振动通常会引起呕吐。对于高层建筑由于风荷载引起的振动设计时,需重视此频率范围内的振动[2][3]。
图1楼板共振模型示意图
2 现浇预应力混凝土空心板的有限元模拟
运用有限元软件MSC.Marc[4]对对四块不同尺寸的四边支承预应力混凝土空心楼盖进行动力特性分析。楼盖参数见表1,均满足《现浇混凝土空心楼盖结构技术规程》CECS75:2004[5]的构造要求,即板厚不小于180mm,空心率不小于25%,也不大于50%,跨高比不大于40。空心板材料参数见表2。
采用整体式钢筋混凝土有限元模型。混凝土视为连续均匀材料,选用8节点六面体单元(7号单元)模拟混凝土;钢筋采用2节点三维杆单元(9号单元),利用Insert功能将钢筋杆单元嵌入混凝土单元;无粘结预应力筋和混凝土采用Nodal Ties功能进行节点耦合,释放预应力筋除两端节点外的其它节点与混凝土单元节点沿预应力筋轴向的连接。单元长度划分为50mm。图3所示为试验板有限元模型的剖面示意图。
图2空心板有限元模型剖面示意图
有限元分析设定两个工况。第一个工况为静力分析工况,施加预应力;第二个工况为模态分析。通过设置最小循环数为2来保证在每阶模态提取之前,刚度矩阵更新考虑预应力的影响。
根据结构动力学理论,四边简支矩形板的前3阶主振型如图3所示。
图3 典型四边简支正交各向同性楼板主振型图
有限元计算得到的空心板前3阶振型示意图见图4。
(a) 振型1 (b) 振型2 (c) 振型3
图4 试验板有限元计算振型图由图4可见,有限元计算得到的空心板前3阶振型与结构动力学理论中四边支承矩形板的前3阶主振型相符,说明本文的有限元模型是可靠的。
由表3可见,空心板的跨度越大,其基频越低。
3 减小空心板振动影响的措施
对于因振动引起的不舒适问题,可以通过调整楼板的刚度、阻尼或质量,加以改善。通过调整楼板体系的刚度可以加大结构基频与外加激励频率之间的差值,从而降低发生共振的可能性。对于峰值激励引起的结构响应,可通过增加结构阻尼的方法加以控制。具体的措施可以用增设诸如隔断墙、顶棚等非结构构件来改善,这些非结构构件可以在较大程度上增加振动的阻尼。
4结论
对四块净跨为8～15.7m、构造满足CECS75:2004的要求、四边简支或?固的空心楼盖有限元计算结果表明,空心板的跨度越大,其基频越低,也越容易引起人的不舒适感。对于因振动引起的不舒适问题,可以通过调整楼板的刚度、阻尼或质量,加以改善。