装配整体式大跨度组合框架-预制PC空心楼板结构的楼盖振动舒适度研究

The large span building could meet the growing function requirement, and also improve the living quality. The large span assembled monolithic system composed of composite frame and precast prestressed reinforced concrete hollow core floor slabs can be constructed in short period and has better quality due to factory prefabricating. The use of lightweight high-strength materials in open-plan floors can reduce the self-weight of structural systems and increase the structure spans. Nevertheless, it may also increase the likelihood of annoying floor vibrations that could affect the comfort of building occupants. Therefore, the vibration serviceability of this kind of floor system should meet the requirements on the premise of the structure comfort in the structure design. Theoretical analysis, experiment and FEM analysis will be employed to study the vibrational behavior of this kind of system based on the research method and results of typical pre-stressed concrete floors and composite floors. Based on classic plate theory, an accurate formula for calculating the frequencies and acceleration will be also derived. In this research, the human impact model, the vibration serviceability assessment methods for the large-span assembled composite frame system with precast hollow core slabs are the key research points. Finally, the suggestions for anti-vibration design and structural details will also be proposed in this research. All the test data and research results are expected to be referred in long span composite floor designing and vibration serviceability codes modifying.

目前，人们对建筑使用功能及舒适性的要求日渐提高，合理发展大空间建筑是满足该要求的有效途径之一。装配整体式大跨度组合框架-预制PC空心楼板结构适用于大空间建筑，施工速度快，经济性与使用功能好，是一种具有广泛推广价值的装配式结构体系。但随着楼盖跨度增大、刚度降低，其自然频率和阻尼比随之降低，人体荷载作用下的振动舒适度问题日益突出。本项目将采用理论分析、模型试验、原位试验及有限元数值模拟相结合的研究方法对这种装配整体式楼盖振动舒适度进行研究。基于测力板试验，分别建立瞬态激励及稳态激励下人体激励荷载统一模型；基于板壳理论，通过加权余量法及能量法，推导不同边界条件预制PC空心楼盖的基频及加速度时程计算方法；结合理论、试验及有限元模拟结果，建立人体荷载作用下的楼盖振动舒适度评价指标及其计算方法。研究成果可为研究大跨度组合楼盖振动性能和编制相关设计规范提供试验和理论依据。

装配整体式大跨度组合框架-预制PC空心楼板结构符合装配式结构发展要求，建立适用的人体荷载激励模型，明确该组合楼盖的动力响应机理，提出动力特性特征参数及计算方法，分析并给出楼盖振动舒适度影响因素及评价参数，可为大跨度组合楼盖振动舒适度研究及编制相关设计规范提供理论依据。针对该新型楼盖结构，项目完成的研究工作及研究成果如下：（1）基于测力板试验建立了4种不同形式的人致激励荷载模型，其中落足及跳跃模型基于人体体重建立，行走及跑步模型分别采用2阶及1阶傅里叶展开表达式；（2）设计并完成了7个试件，以空心板组合梁为研究对象开展了人致荷载（落足、跳跃、行走与跑步）作用下振动舒适度研究，研究参数包括试件跨度、空心板宽度以及抗剪连接程度，基于梁弯曲的振动运动方程，推导出空心板组合梁的自振频率计算公式，基于单自由度体系的运动方程，推导并修正了峰值加速度的理论计算公式，验证了用于评价的振动舒适度指标（自振频率与峰值加速度）计算公式的适用性；（3）基于试验研究，建立了人体振动舒适度评价阈值，可用于楼盖振动舒适度评价，建议试件在16Hz下，落足、跳跃、行走与跑步下RMS加速度分别为ISO基准曲线的27~33倍、27~40倍、10倍与14倍；试件在11.5Hz下，落足、跳跃、行走与跑步下RMS加速度分别为ISO基准曲线的34~46倍、34~55倍、14倍与19倍；为简化RMS加速度峰值计算过程，采用波峰系数，瞬态与稳态的波峰系数均建议取为3.0；（4）设计并完成了9个试件，开展了抗弯性能试验研究，研究表明抗剪连接程度对试件承载力和延性有较大影响，建立了不同破坏模式（弯曲滑移破坏、剥离型弯曲滑移破坏及纵向剪切失效破坏）下大跨度预制PC空心楼板组合梁的抗弯承载力计算公式，与传统的钢-混凝土组合梁相比，大跨度空心板组合梁仅需后者完全抗剪连接时栓钉数量的85%即可满足完全抗剪要求。通过本项目研究，解决了人致激励荷载不明确、结构振动特性计算繁琐且精度低、评价参数不明确等问题，为结构振动舒适度评价提供了理论及评估依据，研究成果获得国家科技进步一等奖、重庆市科技进步一等奖等奖励。