厦门市体育中心综合健身馆钢结构大跨度楼盖的结构选型与减震分析

谢树旺

（博亚（福建）建筑设计有限公司　福建省　泉州市　362000）

厦门市体育中心综合健身馆钢结构大跨度楼盖的结构选型与减震分析

谢树旺

（博亚（福建）建筑设计有限公司福建省泉州市362000）

本体育健身馆从正负零标高以上为全钢结构，两层（含夹层，局部三层），由于首层布置了篮球馆及网球馆，所以二层为大跨度钢楼盖（组合楼板，箱型主梁）；屋面为网架。本工程通过合理的结构选型，调整结构整体刚度，提高关键构件抗震性能目标以及适当的构造措施使结构满足抗震设防要求。同时通过楼盖结构振动分析，对使用舒适度进行验算。根据验算的结果需要，在大跨度主梁跨中区域设置了调谐减震装置TMD进行了减震设计。

钢结构大跨度箱型梁；网架；楼盖结构振动分析；TMD减震阻尼器

1　工程概况

项目位于厦门市思明区湖滨北路中段以北的体育中心，场地四周西临主体育场、东临育秀路、南临球类综合馆（现牡丹大酒楼）、北临休闲康体馆。本工程拟建项目主要为主楼及两层纯地下室组成。其中主楼高度为26.0m（全钢结构），长度178.9m，宽度60.7m，建筑面积20254m2；两层地下室（钢筋混凝土框架）开挖8.6m，建筑面积33350m2。本工程采用桩基础，基础埋设深度为12.0m。上部钢结构主要为两层（局部含夹层为三层），结构体系为钢框架-支撑；由于一层的主要建筑功能为篮球馆及网球馆，所以对于的二层为大跨度楼盖（箱型钢柱及箱型钢主梁），主要的大跨度为40.5m（共三跨）及24.3m（共一跨）；主要柱距为8.1m。40.5m上空的屋盖为网架结构组成的轻钢屋盖，跨度为56.7m×40.5m；24.3m上空的屋盖为钢框架组成的钢筋混凝土屋面。

本工程抗震设防类别为乙类；抗震设防烈度为Ⅶ度，设计基本地震加速度为0.15g，地震分组为第二组，根据地质勘察报告，场地类别为Ⅲ类，场地特征周期0.55s，多遇地震水平地震影响系数最大值0.12，抗震构造措施为Ⅷ度。本工程基本风压0.8kN/m2。

图1　外观详见鸟瞰效果图

图2　跨度情况详见钢结构剖面图

图3　结构空间关系详见三维模型图

2　结构选型

本工程由于在一楼设置了篮球馆及网球馆，所以二层楼盖为大跨度体系，40.5m跨，我们对比了型钢桁架结构及箱型梁结构，按照经验型钢桁架的桁架高度约为跨度的1/12即3.3m，箱型梁截面高度约为1/20即2m，本工程因净高要求，结构厚度（包括楼板厚）仅允许2.5m，根据计算对比，最终选用箱型梁方案。本工程主要钢柱截面为口800×1200×36；口800×800×25；口600X650X20；框架主梁截面主要为口800×2000×25（腹板的高厚比通过设置横向加劲肋及纵向加劲肋保证）；口400×900×20；主要次梁截面为HN400×200及HN300×150。

楼板为压型钢板作为永久性模板的非组合型楼板，非组合型的楼板可以省去在压型钢板底面涂刷防火涂料的造价。在体育场馆的四角区域布置了箱型十字支撑作为抗侧力的补充，加强整体扭转刚度。

屋面结构，对比了三角形钢管桁架及网架两种结构，从造价经济性方面网架有优势，最后选用了网架的结构形式。

3　结构分析

本工程钢框架部分计算采用PKPM-SATWE、网架部分计算采用3D3S，整体组装复核计算采用Midas-Gen。设计结果以PKPM-SATWE输出为主要依据。由于PKPM对于空间网架的输入不太方便，采用PKPM软件设计时将屋面网架按刚性梁代替，用来模拟刚度及传导荷载；网架部分采用3D3S网架模块计算，支座刚度用悬臂钢柱的弹性刚度代替。本工程结构嵌固层设置于地下室顶板面，地面以上主体结构三层。整体模型计算中考虑偶然偏心地震作用，双向地震作用，扭转耦联以及施工模拟加载的影响，主要计算结果如表1所示。

4　TMD减震分析

4.1人行荷载

对于人行天桥、连廊等以行走荷载为主的结构，行人的行走可能产生垂直作用力、横向作用力以及纵向作用力。由于行人在行走过程中产生的横向和纵向荷载幅值相对竖向很小，一般只考虑人行荷载对桥面的竖向作用，忽略其产生的水平和纵向作用。

表1　整体计算结果参数汇总表

室内体育馆中，主要的荷载形式为有节奏运动，包括健身、有氧运动、瑜伽、打羽毛球等活动。

4.2舒适度评价标准

根据AISC/CISC Steel Design Guide Series No.11，以有节奏运动为主的建筑楼盖，由于环境嘈杂，人对加速度的敏感程度较低，最不利位置处的加速度限值为40～70cm/s2。

在本项目中，采用的舒适度标准是，最不利位置处的加速度峰值应不大于50cm/s2。

4.3分析软件：SAP2000 V17.1.1（略）4.4原结构模态分析

体育馆为两层，对其舒适度进行分析时，荷载作用的楼板是二层的楼板，因此下面讨论的振型就应该是以二层楼板的竖向振动为主的振型。

从该体育馆模态分析时的前20阶振型，其中第10阶振型是以最左跨楼板的竖向振动为主的振型，频率为2.455Hz，竖向振型质量参与系数为0.0522，第13阶振型为右边两跨楼板的竖向振动，频率为2.676Hz，竖向振型质量参与系数为0.12，第19阶振型为中间跨楼板的竖向振动，频率为3.026Hz，竖向振型质量参与系数为0.0576，在进行时程分析时，选择合适的荷载频率，激发出结构的这三个振型。

4.5TMD布置

该体育馆楼板结构可以分别三个部分，各个部分的振动频率也不相同，因此可以布置3种频率的TMD，予以分别控制。TMD的频率分别为2.46Hz、2.68Hz以及3.03Hz，即频率比都取值为1。该体育馆结构总质量为14863.4t，第10、13、19阶振型参与质量分别为776t、1784t以及856t，质量比按照经验在1.5％左右，初步确定布置的TMD分别为16t、24t以及12t。阻尼比的选择可以根据以下公式：

于是，计算得到的各种TMD的阻尼比为0.0853、0.0696以及0.071。在实际工程中，一般阻尼比宜设置在0.08～0.1。TMD的具体参数如表2～4所示。

TMD布置在体育馆的二层（标高15.000），对于每一跨，由于振动主要集中在跨中区域，因此将TMD尽可能得布置在跨中的区域会取得更好的减震效果。

4.6减震效果分析

布置TMD之后，由于TMD与结构之间产生的相互影响，结构的自振频率发生改变。受控制的振型会产生新的振型，从而就有两个振型，其中一个频率大于原结构，另外一个振型的频率则小于原结构的频率。与原结构的振型质量参与系数表进行比较，可以发现布置TMD后的系统一阶振型与原结构基本没有变化，同时也说明TMD只对需要控制的振型才起作用。对比也可以发现，经TMD减震之后，主要振型依然是在竖向上。

表2　2.46Hz（16个，控制竖向振动）

表3　3.03Hz（12个，控制竖向振动）

表4　2.68Hz（24个，控制竖向振动）

对体育馆结构与TMD系统做时程分析，分别取三种工况，频率分别为2.46Hz、3.03Hz以及2.68Hz，以便激发出结构的振型。结果如表5所示。

表5　原结构与TMD系统二层各楼板跨中节点加速度、位移对比

由于体育馆中主要进行各种体育活动，若是多人进行同频的有节奏运动时，对于楼板的作用会大于单纯的行走，而体育馆的舞台布置较灵活，人群分布也不易确定，产生共振的可能性非常大。由表4可以看出，在无TMD进行控制时，加速度峰值最大能够达到157.9cm/s2，远远超出舒适度要求的限值，甚至超出了人的忍受界限。在进行TMD控制后，楼板的加速度峰值有了明显的下降，下降幅度从64～72％不等。能达到这样的减震效果，是由于共振时更能激发出TMD的振动，从而使得结构自身的加速度降低。

从舒适度的角度来看，在各跨，经过对TMD数目等的合理的优化，均能将加速度峰值控制在50cm/s2，满足了舒适度的要求。

5　结论

（1）结合建筑使用功能及经济性要求，给出了多层体育馆大跨度主体工程的结构选型过程，实现了业主对于室内空间的特殊使用要求。

（2）对楼盖结构采用目前较先进的楼面振动控制理论与方法进行了分析，分析结果如下：

①该体育馆的楼板的自振频率在2～3Hz之间，刚度较小。同时，由于主要动力激励来源是体育赛事等的有节奏运动，频率基本也集中在2～3Hz，因此容易引起共振，引起楼板上活动的人员的不适，因此需要进行TMD减震设计。

②采用TMD对结构进行减震，共计使用了频率分别为2.46Hz、2.68Hz与3.03Hz的TMD 52t，对楼板做非线性时程分析（FNA）表明，TMD的减震效果显著，减震幅度处达到了72.54％。

③经过TMD减震处理，体育馆结构在有节奏运动的作用下的最大加速度反应均小于50cm/s2，对于处于运动过程中的人员来说，由于对加速度不够敏感，这是可以接受的，同时也是满足舒适度标准的。

TU393.3

A

1673-0038（2015）27-0035-03

2015-6-19

谢树旺（1976-），男，国家一级注册工程师，大学本科，从事钢结构设计15年，主要设计大跨度建筑钢结构及异性曲面雕塑钢结构工作。