2023年12月14日发(作者：房门锁怎么安装)
江苏建筑圆园20年第5期渊总第207期冤27钢楼梯在人致激励下的振动舒适度控制研究季新强1袁张志强2袁鄢雨生2渊1.中国江苏国际经济技术合作集团有限公司袁江苏南京210002曰2.东南大学土木工程学院袁江苏南京210000冤[摘要]钢楼梯在人行激励作用下袁会产生竖向振动遥过大的振动不仅会引起舒适度问题袁还可能引发结构的安全问题遥文章以某钢结构旋转楼梯作为研究对象袁采用MidasGen软件对该楼梯进行了人行激励下的结构动力特性分析袁对比分析了安装TMD前后结构的加速度响应袁结果表明TMD系统减振效果显著遥同时根据TMD原理袁对TMD频率比和阻尼比参数所起到的减振效果进行分析比较袁可为类似工程提供参考遥[关键词]钢楼梯曰TMD曰动力分析曰人行激励[中图分类号]TU391[文献标志码]A[文章编号]1005-6270渊20圆0冤05-0027-05ResearchonVibrationComfortControlofSteelStairsunderHumanExcitation渊iangsuInternationalEconomicandTechnicalCooperationGroupCo.,Ltd袁NanjingJiangsu210002China曰ofCivilEngineering,SoutheastUniversity,NanjingJiangsu210000China)JIXin-qiang1ZHANGZhi-qiang2YANYu-sheng2Abstract院Steelivevibrationcancausenotonlycomfortproblems,paper,ucturaldynamiccharacteristicsofthestaelerationresponseofthesulametime,accordingtotheTMDprinciple,thevibrationdampingeffectoftheTMDfrequencyratioandthedampingratioparameterisanalyzedandcompared,whichcanprovideKeywords院steelstairs曰TMD曰dynamicanalysis曰humanexcitation楼梯作为建筑物中的交通枢纽袁是联系上下层之间的主要交通设施遥以前较多采用梁式或板式钢筋混凝土楼梯袁由于本身材料等特性的局限袁该结构往往跨度小袁刚度大袁周期短曰近年来袁由于建造技术和建筑材料的快速发展袁越来越多的钢楼梯在工程中得到了应用袁钢结构楼梯结构新颖袁自重轻而且刚度小袁整体结构比较柔袁对人致激励作用比较敏感袁容易产生振动袁小则使人产生不舒适感袁法是加大钢楼梯的刚度袁但这起到的作用很小袁而且往往很不经济遥因此常用的方法是安装质量调谐阻尼器渊TMD冤袁来控制钢楼梯的振动[2]遥本文将结合某钢结构旋转楼梯减振项目袁用Midas大则会引起共振影响安全使用[1]遥为解决这类问题袁一种方进行控制及进一步优化遥1钢楼梯模型分析1.1工程概况项目为某观景平台钢结构旋转楼梯袁楼梯长10.8m袁宽1.5m袁结构自重约为78t袁具有旋转角度大渊270毅冤尧悬挑跨度大渊5.5m冤的特点遥其结构效果图和模型图如图1尧图2所示遥采用MidasGen软件对该楼梯进行模态分析袁取钢楼梯竖向振动强烈的振型周期尧频率及质量参与系数统计如表1所示袁结构振型如图3所示遥1.2荷载模拟行人的行走可能产生垂直作用力尧横向作用力以及纵Gen软件进行在人行荷载激励下的动力特性分析计算袁对比分析在人群均布荷载和移动行人荷载2种不同荷载施加方式下钢楼梯的结构响应袁并采用TMD对该楼梯的振动学硕士袁国家一级注册结构工程师遥[收稿日期]圆园20鄄04鄄24[作者简介]季新强袁中国江苏国际经济技术合作集团有限公司袁工
28图1结构效果图图2钢楼梯模型图图3第4阶模态渊楼梯竖向一阶振动冤振型图表1钢楼梯振型统计模态频率/Hz周期/s参Z与向质量振型/%121.6120.00032.2250.620.063242.9320.450.002855.0780.348.1190.200.123.1083注院第5阶模态为上部钢平台竖向振动强烈的振40.6350型袁而8非楼梯自身振动袁故不考虑遥向作用力遥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袁因此一般只考虑人行荷载对钢楼梯的竖向作用[3]渊快走冤之间遥袁行平人正均值常大行约走是步2频Hz介[4]遥于因此1.6本Hz项目渊慢走将冤考虑和2.42Hz步行工况袁分别为2.00Hz渊行人正常行走频率冤和1.69Hz个渊1.2.1结构单竖人向单振步动人频行率荷载1/3冤遥模拟江苏建筑圆园20年第5期渊总第207期冤单人单步人行激励作用可以用傅里叶级数模型来表示袁其中竖向激励f渊t冤蓘为[5]院f渊t冤=G琢0+式中院G为人体体重袁移ni=1琢isin蓸2仔Tit+渍i蔀蓡渊1冤取为70kg曰n为模型阶数曰琢i为第i阶谐波系数和相位角袁T=te为单步曲线的时间袁取前尧渍i5建阶议进遥行计算遥表2给出了各阶动载因子及相位角的取值1.2.2单单人人步连行续激励人行曲荷载线参模考拟IABSE渊InternationalAssocia鄄tionforBridgef渊t冤=G蓘and1+移nStructuralEngineeringi=1琢isin渊2i仔fSt-椎i冤蓡冤袁公式如式渊2冤[6]院渊2冤式中院f渊t冤为行人激励曰t为时间曰G为体重曰fs为步行频率曰琢i为第i阶简谐波动载因子袁本项目只取前3阶计算曰琢1.2.31=0.4+0.25正人常群使荷载渊用条模fs-2冤袁琢2=琢3=0.1曰椎1=0袁椎2=椎3=仔/2件拟下楼板结构往往承受大量人群的同时作用袁因此需要研究大量人群产生的步行力遥限于试验设备的局限性袁对于人群产生的步行力直接测试不易实现遥实际工程中袁一般都是将单人步行力按照一定的方式叠加得到多人甚至人群步行力遥由于行人间步行不一致袁不同人的步行力相互抵消袁按照荷载等效原则袁人数为n的人群荷载可折减为Np个步调一致的行人产生的荷载袁二者的比值称为同步概率[7]p院s=Np/n渊3冤式中院n为人群总人数曰下同遥对于低密度的人群行走袁假定行人的概率模型尧步频分布尧体重的概率模型等随机因素袁计算得到了人群激励下的竖向振动响应袁当密度小于1.0人/m2时的等效人数计算公式为院Np式中=10.8院孜为姨振渊n型伊孜阻冤尼袁对于本项目取0.01遥渊4冤对于高密度人群行走袁当行人密度超过1.0人/m2时袁因为行人前后间距变小袁已不能自由的按本人意愿行走遥高密度情况下袁行人之间的步频已完全同步袁只是相位不同袁按照同样的随机概率分布模拟方法袁总结出高密度情况下等效人数计算公式院1.3N荷载工况定p=1.85姨n义渊5冤本项目考虑在2种荷载施加方式下的2个步行工况袁2种荷载施加方式分别为人群均布荷载和移动行人荷载遥2个步行工况分别为1.69Hz和2.00Hz遥2个工况所考虑的人群密度分别为1人/m2和0.5人/m23所示遥遥荷载分析工况如表1.3.1人群均布荷载
江苏建筑阶数1圆园20年第5期渊总第207期冤表2前5阶动载因子及相位角的取值均值琢i袁设计值琢i*渊75%保证率冤袁琢i**渊95%保证率冤琢1*=-0.0804f+0.4169琢2=0.0817f+0.1752琢1=-0.0804f+0.3637相位角渍1=-仔/229琢1**=-0.0804f+0.4543琢2*=0.0817f+0.2159琢3=0.0096f+0.11332琢2**=0.0817f+0.2446琢3*=0.0096f+0.1443琢4=0.0223f+0.0143渍2=-仔/23琢3**=0.0096f+0.1661琢4*=0.0223f+0.0322琢5=0.0165f+0.0051渍3=-仔/24琢4**=0.0223f+0.0448琢5*=0.0165f+0.0198渍4=-仔/35琢5**=0.0165f+0.0302渍5=-仔/3表3荷载分析工况行走频率/Hz1.692.00人群密度/人/m21.00.5描述行人拥挤行人较多等效人数7.453.07将人群活荷载等效为面荷载施加在钢楼梯上袁人群荷载施加范围如图4所示遥图5移动行人荷载布置德国叶DesignofFootbridgesGuideline曳渊RFS2-CT-2007-00033冤中提出在人行激励条件下袁人行天桥振动加速度限值为0.50m/s2遥综合国内外的舒适度研究成果考虑袁本项目的舒适度要求是竖向峰值加速度不得超过0.25m/s2遥1.5加速度响应分析采用MidasGen对钢楼梯进行动力时程分析袁得到两1.3.2移动行人荷载图4人群荷载施加范围考虑最不利情况袁将等效人数向上取整袁其中1.69Hz种荷载施加方式下的2个步行工况的加速度峰值袁如表4所示遥由表4的结果可以看出袁2个步行工况的加速度响应峰值均不满足舒适度要求袁需要进行TMD减振控制遥采用移动行人荷载的施加方式得到的加速度峰值较大袁并且这种施加方式更加符合楼梯的实际使用情况遥因此本项目将采用移动行人荷载的施加方式进行钢楼梯减振控制遥表4加速度峰值荷载施加方式人群均布荷载移动行人荷载人行频率/Hz1.692.001.692.00加速度响应峰值/m/s20.3100.3890.4300.527工况取8人沿楼梯踏步中点从下至上依次经过袁2.00Hz工况取4人遥模型取楼梯踏步宽为分析间隔袁即模拟行人上楼步距为踏步宽度袁相邻两人间隔一个踏步遥采用单人单步时程袁根据每个人到达楼梯各节点的时间不同袁反复定义各节点荷载遥移动行人荷载布置图如图5所示遥1.4舒适度指标选取目前对于楼梯竖向振动舒适度限值尚没有明确规定袁国内叶高层建筑混凝土结构技术规程曳给出了竖向振动加速度峰值的限值要求袁对于竖向自振频率不小于4Hz的商场及室内连廊袁峰值加速度限值为0.15m/s2遥参考国内外的舒适度研究成果[8-9]如下院
30振控制及2.12钢楼梯减TMD减振设计方案TMD参数优化弹簧TMD系统渊尧Tuned阻尼器Mass系统和质量Damper块冤即组调成频遥其中质量质量阻尼器块作为袁主要设由计时的配重袁提供质量曰弹簧系统的作用是调整TMD自振频率袁使TMD达到对结构反应的较好控制曰阻尼系统不但限制TMD在一定的范围内运动袁而且能够起到使结构的振动反应减小的作用[10]遥减振系统示意图如图6所示遥图6减振系统示意图根据减振前钢楼梯的振动响应情况袁在振动响应最大位置渊即休息平台外侧冤布置2套TMD减振装置袁如图7所示遥设计要求该楼梯所用TMD总质量为450kg袁TMD参数见表5遥表5TMD减振装置参数减振系统度阻尼系数编号数量质量块质量弹簧刚TMD-12225/kg229/N/m229/N窑575s/m图7TMD减振装置布置示意图2.2钢采楼用梯Midas减振分Gen析对钢楼梯进行动力时程分析袁得到2个步行工况的加速度时程曲线袁如图8所示遥由图8可以看出袁TMD系统减振效果十分明显袁对于1.69Hz工况减振率达到43%袁减振后加速度峰值为0.247m/s2工况减振率达到62%袁减振后加速度峰值为曰0.199对于m/s2.002Hz满足舒适度限值要求遥,袁均2.3TMD参数优化江苏建筑圆园20年第5期渊总第207期冤图8减振前后加速度时程曲线对比由2.2节可以得出袁钢楼梯在1.69Hz工况下的响应虽满足加速度限值要求袁但仍较大遥故针对1.69Hz工况来进行TMD的参数优化设计分析遥利用不变点理等论针袁对对频某域假中定为不随无TMD阻尼阻的尼结变构化装的设固TMD[11]定点进袁行探讨袁推导出TMD优化模型遥该模型对TMD频率比和阻尼比的优化参数如式渊6冤尧式渊7冤院琢opt=姨1+1滋渊6冤孜opt=8渊31+滋滋冤渊7冤式中:滋为TMD质量与主结构质量之比遥设计要求该楼梯所用TMD质量比为0.6%袁可以计算得到TMD最佳频率比为0.994袁最佳阻尼比为0.046遥通过改变本项目TMD频率比和阻尼比袁分析TMD参数对结构的减振效果的影响遥2.3.1为TMD分析频TMD率比频对率减比振对效减果振的效影响果的影响袁保持TMD其他参数不变袁考虑频率比的变化范围为0.95耀1.05袁按0.01递增袁计算1.69Hz工况减振后峰值加速度袁如图9所示遥由图9可以看到袁不同的频率比对结构峰值加速度有一定的影响袁但作用很小遥对于本项目来说袁当频率比为0.99时袁减振效果最好袁但减振率几乎没有提高遥2.3.2为TMD分析阻TMD尼比阻对尼减比振对效减果振的效影响果的影响袁保持TMD其
江苏建筑圆园20年第5期渊总第207期冤他参数不变袁考虑阻尼比的变化范围为0.01耀0.10袁按0.01递增袁计算1.69Hz工况减振后峰值加速度袁如图10所示遥由图10可以看到袁TMD阻尼比对于结构峰值加速度有一定的影响遥对于本项目来说袁当阻尼比为0.05时袁减振效果最好袁减振率提高至44%遥但阻尼比也会影响结构振动的衰减速度袁阻尼比太小会导致振动衰减时间过长遥因此在确定结构阻尼比时袁应该综合考虑减振效果和振动衰减时间2个方面的因素遥图9TMD频率比对减振效果的影响图10TMD阻尼比对减振效果的影响3结论本文结合钢结构旋转楼梯减振项目袁分析在人群均布荷载和移动行人荷载2种不同荷载施加方式下钢楼梯的结构响应袁结果表明舒适度超过规范限值遥采用TMD对该楼梯的振动进行控制袁分析了TMD频率比和阻尼比参数对减振效果的影响袁得到以下结论院比人群渊1均冤布采荷载较大用移动行袁人并且荷载施这种加施方式加方式得到更加的加速符合度钢峰楼值梯相的实际使用情况遥下进渊行2冤了本TMD文对钢减楼振梯设在计步与行分工况析袁渊1.69频率Hz1.69工况Hz减和振2.00率达Hz到冤43%适度袁限2.00值要求Hz工况遥结减果振表率明达袁该到TMD62%袁布加速置方度案可响应以均有满足效抑舒制钢楼梯在人行荷载激励下的振动遥31影响袁渊对3冤TMD于本项目来频率比说和阻袁最尼佳比频对率减比振为效0.99果均有袁最佳一阻定程度尼比为的0.05会导遥致但振阻动尼衰比减也时会间过影响长结遥构振因此在确动的衰定减结速构阻度袁尼阻比时尼比袁太应小该综合考虑减振效果和振动衰减时间2个方面的因素遥参考文献[1]张琼袁陈凯袁杜永峰袁刘路路.基于人体动力学模型钢楼梯振动舒适度及其控制研究[J].防灾减灾工程学报,2018,38(01):153-160.[2]杜永峰袁陈凯袁朱前坤袁刘路路.考虑人-结构动力相互作用螺旋楼梯人致振动舒适度评估[J].兰州理工大学学报,2017,43(02):115-120.[3]Eurocode,1990:2002,EuropeanCommitteeforStandardization,Brussels,Bel鄄gium咱S暂.[4]孙利民袁闫兴非.人行桥人行激励振动及设计方法咱J暂.同济大学学报渊自然科学版冤袁2004(11)院996-1000.[5]陈隽袁王玲袁陈博袁严世鑫.跳跃荷载动力特性与荷载模型实验研究[J].振动工程学报袁2014袁27(01):16-24.[6]2631-2-2003,MechanicalVibrationandShock-EvaluationofHu鄄manExposuretoWholeBodyVibration-part2:ContinuousandShock-in-DucedVibrationinBuildings(1to80Hz)咱S暂.[7]张高明援火车站站房结构在人行和列车激励作用下的振动舒适度问题研究[D]援北京院中国建筑科学研究院袁2008院27-33援[8]Eurocode,1990:2002,EuropeanCommitteeforStandardization,Brussels,Bel鄄gium咱S暂.[9]机械振动与冲击人体暴露于全身振动的评价要第一部分:一般要求院GB13441.1要2007咱S暂.北京院中国标准出版社袁2007.[10]刘勇袁郭娜袁郝毅.TMD减振系统在大跨人行桥中的应用[J].市政技术袁2018袁36渊01冤院52-55.[11]TubinoF袁PiccardoG..Tumedmassdamperoptimizationforthemitigationofhuman-inducedvibrationsofpedestrianbridges[J].Meccanica袁2015袁50渊3冤院809-824.
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