4.2.3 房屋建筑的混凝土楼盖应满足楼盖竖向振动舒适度要求;混凝土结构高层建筑应满足10年重现期水平风荷载作用的振动舒适度要求。
条文解释:本条规定了混凝土结构舒适度要求,包括楼盖竖向振动舒适度及高层建筑、超高层建筑水平风振舒适度要求,控制水平与现行标准水平大体相当。按照《民用建筑设计统一标准)GB50352-2019的规定,超高层建筑是指房屋高度大于100m的建筑。
既然没有官方的解析,那笔者就继续发布非官方解读:
该条提出了舒适度计算的强制性要求。混凝土楼盖均应满足楼盖竖向振动舒适度要求,无论是多层建筑还是高层建筑,也无论跨度有多小;高层混凝土结构建筑均应满足10年重现期水平风荷载作用的振动舒适度要求,无论有没有达到150m高度。
风振舒适度
现行标准《高层建筑混凝土结构技术规程》JGJ3-2010第3.7.6条规定,房屋高度不小于150m的高层混凝土建筑结构应满足风振舒适度要求。《高层民用建筑钢结构技术规程》JGJ 99-2015第3.5.5条有同样的规定,但两本标准的风振加速度限值是不一样的。
通用规范取消了150m的规定,只要是高层建筑,均需满足风振舒适度要求 。
但这点执行起来并没有难度。笔者查看了PKPM计算书,变电站单层厂房的也提供了风振舒适度的计算值。
所以,风振舒适度就不再讨论了,变电站工程也用不到。
楼盖竖向振动舒适度
前段时间,有朋友在电力群里提问,钢结构配电装置楼中,110kV GIS设备布置在楼上,设备振动怎么考虑?
笔者也曾在110kV户内变电站中偶遇开关跳闸的情形,毫不夸张地说,那是 地动楼摇 的感觉,而且,这是混凝土结构厂房,而不是刚度弱得多的钢结构厂房。
但这开关跳闸情形很少出现,不是像工厂的机器那样此起彼伏,要不再好的设备也经不起折腾。所以,这 可视作偶然作用 ,运行部门也没有特别的意见。
变电站设计中确实有遇到“制造不良”的高压电抗器布置在楼面,而引发的建筑振动问题。之所以说是“制造不良”,是因为理想的电抗器运行时是不会发生振动的;制造精良的电抗器,设备振动也在允许范围内,也不会引发楼面不可接受的振动。
工程设计要因地制宜,要接地气,所以,遇到高压电抗器布置在楼面时,必须进行楼盖竖向振动舒适度设计。现行设计标准中是找不到电抗器的振动荷载的,此时应该要求厂家提供设计参数。 和工业大型振动设备相比,电抗器的振动实在算不了什么,所以,笔者曾说过:电抗器布置在楼面引发的振动问题,完全可以通过技术措施来解决。但还是建议你尽量不要自找麻烦 !
《高层建筑混凝土结构技术规程》JGJ3-2010第3.7.7条,《高层民用建筑钢结构技术规程》JGJ 99-2015第3.5.7条对楼盖舒适度提出了明确的要求: ?楼盖结构应具有适宜的舒适度。楼盖结构的竖向振动频率不宜小于3Hz,竖向振动加速度峰值不应大于下表的限值。
高层建筑楼盖竖向振动加速度限值
注:楼盖结构竖向频率为2Hz~4Hz时,峰值加速度限值可按线性插值选取。
其实,对于多层建筑楼盖振动舒适度的要求,也不是通用规范首次提出, 《混凝土结构设计规范》GB50010-2010早有规定 ,而且刚发布时,曾引发一场讨论。
GB50010-2010第3.4.6条 规定,对混凝土楼盖结构应根据使用功能的要求进行竖向自振频率验算,并宜符合下列要求: 住宅和公寓不宜低于5Hz;办公楼和旅馆不宜低于4Hz;大跨度公共建筑不宜低于3Hz 。
但这条文说的很含糊,“应根据使用功能”,变电站好像没这要求。后面用词还是“宜”。条文说明中更是直接说,对跨度较大的楼盖及业主有要求时,可按本条执行。所以,多层建筑基本没有执行该条,审图专家也没有意见。
而现在, 你若再不算楼盖舒适度,就是明目张胆违反强制性条文 !
目前变电站工程基本采用钢结构厂房,你是否在庆幸,由此不需进行楼盖舒适度计算了?继续下面的话题——
多层钢结构建筑需要计算楼盖舒适度吗?
钢结构建筑基本是采用组合楼盖。《混凝土结构通用规范》GB 55008-2021第2.0.2条其实已经明示, 钢-混凝土组合楼盖也需满足该规范的要求 。当然,工业厂房中一些纯钢结构的楼盖,那是例外。
但 楼盖舒适度并非只有 《混凝土结构通用规范》由此规定!
《钢结构通用规范》GB55006-2021第4.2.5条 规定,正常使用极限状态设计时,对振动舒适度有要求的钢-混凝土组合楼盖结构,应进行竖向动力响应验算,动力响应限值应采用基于人体振感舒适度的控制指标。 第 5.1.3规定,对需要控制振动响应的组合楼板,应进行结构振动响应验算。
同样, 《组合结构通用规范》GB 55004-2021 规定,正常使用极限状态设计时,对振动舒适度有要求的钢-混凝土组合楼盖结构,应进行竖向动力响应验算,动力响应限值应采用基于人体振感舒适度的控制指标。对需要控制振动响应的组合楼板,应进行结构振动响应验算。
现行标准 《组合结构设计规范》JGJ 138-2016第13.3.4条 ,更是明确规定,组合楼盖应进行舒适度验算。也就是对振动舒适度有要求,结合通用规范的规定,该条其实已经是强制性条文 。
《钢结构设计标准》GB 50017-2017第3.4.4条规定,竖向和水平荷载引起的构件和结构的振动,应满足正常使用或舒适度要求。所以, 纯钢结构也需满足楼盖舒适度要求 。
楼盖竖向振动舒适度计算标准
通用规范只规定应满足楼盖竖向振动舒适度要求,但没提具体的标准,连条文说明中也未提及。
还需看现行其他标准的规定。笔者查询了一下,有关楼盖振动的计算标准还真不少。除了上面提到的两本高层建筑标准和《混凝土结构设计规范 》 外,还有以下标准:
(1)《工业建筑振动控制设计标准》GB 50190-2020
(2)《建筑工程容许振动标准》GB 50868-2013
(3)《建筑振动荷载标准》GB/T 51228-2017
(4) 《建筑楼盖结构振动舒适度技术标准》JGJ/T 441-2019
(5) 《组合结构设计规范》JGJ 138-2016
(6)《组合楼板设计与施工规范》CECS 273:2010
(7)……
结构振动设计,完全可以说是自成一专业!
如果你要把电抗器之类的振动设备布置在楼面,前4本标准你都要好好学习,剩余的,挑着看,不是一时就能搞清楚的。
对于一般的变电站钢结构厂房,通常只需考虑人行走引起的楼盖振动,笔者认为,看《建筑楼盖结构振动舒适度技术标准》JGJ/T 441-2019、组合结构设计规范》JGJ 138-2016两本标准的部分章节即可,相对容易 。
楼盖竖向自振频率限值
《混凝土结构设计规范》GB50010-2010 (2015年版) 对楼盖的舒适度只有竖向自振频率的要求,这个限值现在仍可作为设计参考,但里面没有工业厂房的控制标准。
《高层建筑混凝土结构技术规程》JGJ3-2010、《高层民用建筑钢结构技术规程》JGJ 99-2015的要求是不宜小于3Hz。
《组合结构设计规范》JGJ 138-2016规定,组合楼盖的自振频率计算值不宜小于3Hz且不宜大于9Hz。
《建筑楼盖结构振动舒适度技术标准》JGJ/T 441-2019规定,以行走激励为主的楼盖结构,第一阶竖向自振频率不宜低于3Hz;车间办公室、安装娱乐振动设备、生产操作区的楼盖结构,正常使用时楼盖的第一阶竖向自振频率不宜低于3Hz 。
《组合楼板设计与施工规范》CECS 273:2010规定,组合楼盖在正常使用时,其自振频率 f n 不宜小于3Hz,亦不宜大于8Hz。
综上所述, 笔者建议,变电站工程的楼盖自振频率可按不低于3Hz控制,且对于组合楼盖不宜大于9Hz 。
楼盖竖向振动加速度限值
楼盖的舒适度除满足自振频率限值限值要求外,还需满足竖向振动加速度限值要求。
《混凝土结构设计规范》GB50010-2010 (2015年版)中没有规定。
《高层建筑混凝土结构技术规程》JGJ3-2010、《高层民用建筑钢结构技术规程》JGJ 99-2015:
《组合结构设计规范》JGJ 138-2016:
表B.0.1-1??振动峰值加速度限值
《建筑楼盖结构振动舒适度技术标准》JGJ/T 441-2019:
表4.2.3中的车间办公室、生产操作区主要指布置有振动设备的生产车间,不同于变电站厂房。由于过大的振动将对变电站设备的可靠运行产生影响,变电站工程不宜按此进行控制。
变电站工程虽然属于工业建筑,但从使用功能上来看,更接近于公共建筑。笔者建议,对于变电站配电装置楼,竖向振动加速度可按民用建筑的最高值0.15m/s 2 进行控制,严于普通工业厂房。 一座布置在商场内的变电站,会由于楼面的正常振动而发生故障,总说不过去吧?但只要振动加速度不超过0.40m/s 2 ,都没有依据说你是错的,不过笔者无法保证电气设备能否可靠运行。
楼盖竖向振动舒适度计算方法
目前 主流的结构设计软件都提供了楼盖竖向振动舒适度计算模块,但都不是在结构整体分析时自动计算的,需要你自己动手操作 。
计算机软件采用的是 采用有限元分析计算、 动力时程分析方法。但相关规范对规则楼盖也提供了简化计算方法。
说是简化计算,实际上也不简单。 舒适度计算的荷载取值、荷载组合,甚至材料弹性模量取值等,与常规正常使用极限状态设计设计不一样 ,所以笔者在前面就说了,这属于全新的振动控制专业!
结论
混凝土楼盖均应满足楼盖竖向振动舒适度要求,无论是多层建筑还是高层建筑,无论跨度有多小;高层混凝土结构建筑均应满足10年重现期水平风荷载作用的振动舒适度要求,无论有没有达到150m高度。
钢结构楼盖、组合楼盖也应满足楼盖竖向振动舒适度要求。
变电站工程的楼盖自振频率可按不低于3Hz控制,且对于组合楼盖不宜大于9Hz。
变电站工程的楼盖竖向振动加速度限值可参照民用建筑取0.15m/s 2 ,严于普通工业厂房。
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混凝土结构
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