基于烦恼率的大跨度预应力楼盖舒适度分析

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摘要：随着建筑技术的发展，大跨度预应力钢筋混凝土楼盖结构得到了广泛应用，由此使自振频率降低，在车辆荷载的作用和激振下产生较大的振动幅度，给使用者带来诸多不适感。因此在设计阶段进行舒适度的评价十分必要。本文以某客运中心为背景，运用烦恼率评价指标采用等效—实体力筋法研究了预应力对大跨度楼盖舒适度的影响，对大跨度预应力楼盖舒适度进行了系统的分析。

关键词：大跨度楼盖 烦恼率 振动响应 舒适度

Abstract：With the development of building technology, large span prestressed reinforced concrete structures have been widely applied, thus reduces the vibration frequency, vibration amplitude is larger in the role and the vibration of vehicle loads, bring many discomfort. Therefore, it is necessary to evaluate the degree of comfort in the design stage. This paper takes a passenger transport center of Ruian as the background, using the annoyance rate evaluation using the equivalent entity method to study the effects of prestressing tendons on the comfort of long-span floor, of the large span prestressed floor comfort analysis of the system.

Keywords: large span floorAnnoyance rateVibration responsecomfort

中图分类号：TU93+1文献标识码： A 文章编号：

随着结构分析和施工技术的提高、新型高强轻质材料的运用,大跨度预应力混凝土楼盖结构在体育场馆、展览馆、大型候车场、候机场等公共建筑中的应用日益广泛,以满足大空间、开敞式环境等功能等要求。大跨度楼盖阻尼较小、柔性大、基频低,在人的活动和其他动力作用下会产生竖向振动,超过一定限度就会引起人们的不适，甚至是不安，使结构无法正常使用，因此即使在结构满足承载能力的要求，大跨度楼盖也必须考虑在使用荷载作用下，由于结构本身的大柔度产生的的舒适度问题。

本文以某汽车客运中心为背景，用烦恼率作为评价舒适度的指标对该客运中心其中的一块大跨度预应力楼盖在随机荷载作用下的舒适度进行研究。

1、工程背景资料

该汽车客运中心占地面积5万多平方米，建筑面积近6万平方米,有车位400多个。工程分为候车站和停车站房，候车站房主要承受随机人行荷载，停车站房主要承受大型车辆随机车辆荷载。停车站房结构分为3层，第一层停放小型车辆，第二层供大型客运车辆停泊和上下旅客。其中二层楼盖结构为大跨度预应力钢筋混凝土结构，承载力满足要求，但是由于作用荷载和跨度均较大，容易产生舒适度问题。

2、简化整体结构模型

选取该项目减速缓行区域进行合理的简化，具体简化过程为：柱网尺寸为24m*24m，选取楼板尺寸为24m*84m。对板进行划分，分为8*28，共224个单元。板采用shell63单元，梁采用beam188单元。混凝土密度2500kg/m3，EX=32500MPa，泊松比为0.2. 模型边界条件为：在柱子处约束竖向自由度UY和水平转动自由度；在平行X轴的2条边界上约束绕X轴的转动自由度ROTX；在平行Z轴的2条边界上约束绕Z轴的转动自由度ROTZ；此外，在2条互相垂直的边界上分别施加垂直于该边界方向的水平自由度UX和UZ。边界条件见图1。

图1 简化结构边界条件图 图2预应力大梁布置图

3、采用简化结构进行预应力对舒适度的研究

3.1预应力的建模方法

预应力的建模方法有两种：等效荷载法和实体力筋法。等效荷载法是采用一组等效荷载将预应力钢筋的作用施加到结构上，该方法适用于研究预应力对整体结构的影响。实体力筋法是能够对预应力钢筋的位置进行精确地定位和模拟，对混凝土结构的应力也能进行精确地模拟，采用solid65单元还能模拟混凝土的开裂情况。该方法适用于研究预应力钢筋的位置和预应力大小对混凝土结构抗弯刚度刚度等的影响。

对该项目的简化结构模型我们采用实体力筋和等效荷载结合法研究预应力对楼盖舒适度的影响。

3.2用舒适度评价指标分析预应力对舒适度的影响

该等效—实体力筋法的具体研究步骤如下：

（1）采用实体力筋法，研究不同预应力下大梁的各种指标的提升。如：抗弯刚度等，再将各种指标综合到完整楼盖上进行舒适度分析。该方法考虑了预应力钢筋的位置和大小对结构的影响，使结果更加精确。将实体力筋法的优点拓展到大跨度预应力混凝土楼盖上，且运用命令流可以大大缩短预应力梁的分析计算时间。预应力大梁的布置如图2。

（2）采用对照法，选取普通钢筋混凝土梁和不同预应力下的钢筋混凝土预应力梁进行对照，找出预应力的影响。普通混凝土梁的建模采用分离法建模，该方法将钢筋和混凝土分开考虑，能够精确地考虑钢筋在界面中的位置对结构受力的影响，普通钢筋混凝土梁的建模如图3。预应力大梁的模型建立采用约束方程法，钢筋混凝土结构建模方法采用分离法，将钢筋和混凝土用不同单元进行表示，模型如图4。梁的截面为1200mm*900mm。

图3 普通钢筋混凝土梁有限元模型

图4 预应力钢筋混凝土梁有限元模型

（3）对模型进行数值计算与分析。梁体预应力钢筋采用LINK8单元，弹性模量为1.95e5Mpa，顶部架立钢筋为2根直径为10毫米的HPB300钢筋，底部纵向钢筋为2根直径为22毫米的HRB400钢筋。混凝土单元采用solid65单元，采用多线性等向强化模型MISO模型，根据混凝提规范，混凝土单元的单轴应力应变关系曲线可表示为：

(5-1)

(5-2)

将，，代入上式可得到混凝土应力应变曲线，采用C50混凝土，弹性模量为3.45e4MPa。预应力施加采用约束方程法：在建模中，采用CEINTF命令在混凝土单元和预应力钢筋单元节点之间建立约束方程。钢筋的应力应变曲线如图。预应力钢筋的预应力通过初始应变加载到结构中，不同的预应力大小通过施加不同的初始应变实现，本项目的初试应变计算公式为：

(5-3)

式中：F为施加的预应力大小，为钢筋的弹性模量，为预应力钢筋的面积，为预应力钢筋的放大系数，根据经验取1.0271。取标准预应力，根据公式的初始预应力钢筋为：0.00737。非线性计算中采用位移收敛准则，利用ANSYS程序提取各个不同预应力下的跨中挠度和荷载曲线见下图：（图5~图8）