连体建筑之“谜” | 大跨度连体结构的三类竖向振动基本特征

来源：小匠驿站

暖场猜谜

试试看，从下面这首打油诗中你能猜出几栋建筑的名称？划个范围先——华东院参与设计的高层连体建筑作品。若不看图能猜出两个，说明你非常关注建筑，猜出三个已是圈内人士，猜出四个是资深圈内人士，五个以上只能对你洗摸杯……

连体之“谜”

穿好裤衩提秋裤，

坐上板凳捏螺蛳；

开门迎客探真理，

马桶圈内有玄机；

哥仨携手入竹园，

小匠驿站来猜谜；

猜罢谜语入正题，

先文后理不稀奇。

若没能马上猜出也不要紧，答案就在后面的图片中，可对号入座。看完图能全部说出名字的，也必须为你点赞了。

注：以上项目皆为小匠及所在团队曾经参与过设计的，由于临时编辑需要部分图片来自网络。

非结构专业人士可到此为止，下面将进入“乏味”的技术内容。

切入正题

建筑轻轻那么一连，结构就将为此付出“惨重”的代价，工程师对于连体建筑，可谓是“爱恨交加”。在连体结构的众多问题中，连接体的竖向振动问题无论在设计过程还是在项目审查中都是被“特别”关注的。今天就针对这个专项问题，进行简要梳理总结。

讨论之前首先对大跨度连体结构的竖向振动问题进行分类，根据荷载作用的不同，连体竖向振动可分为三类：

一、地震作用引起的竖向振动

二、人致激励引起的竖向振动

三、风荷载引起的竖向振动

下面将结合项目和一些研究工作，分别针对各个问题进行简要总结。

一、地震作用引起的竖向振动

1.1 连接体在地震作用下竖向振动响应一般规律

（1）在给定的地震输入下，连接体竖向振动响应主要取决于自身竖向刚度和质量，具体反映在自振周期参数中；

（2）塔楼对连接体振动响应的影响主要通过对其自振周期的改变来产生影响。

（3）当塔楼竖向刚度远大于连体竖向刚度时，连体所处高度位置对连体本身竖向振动影响不大。

（4）塔楼水平刚度大小一般对连体竖向振动响应的影响程度较小。

（5）塔楼与连体之间的连接方式会影响连体竖向振动频率，理想铰接（弱连接）使得自振周期增加约1倍。

（6）当连接体有悬挑时，其竖向振动受塔楼水平刚度影响的程度加剧。

（7）当连体无悬挑时，其竖向振动主要由竖向地震引起；而对于带悬臂的连体结构，水平地震和竖向地震对竖向振动均有较大的贡献；且对于竖向位移响应来说，由水平地震引起的数值比竖向地震引起的可能还要大。

（8）尽管对于带悬臂连体结构水平地震和竖向地震均有较大的影响，但当同时输入两个方向的地震波进行计算时，结构的竖向振动响应可能反而有所减小，说明地震响应有可能相互抵消。

（9）对于连体结构的竖向地震内力响应，规范静力方法和反应谱法的计算结果经常无法包络竖向时程分析结果。

1.2 竖向地震的计算要求

（1）连接体结构竖向地震作用标准值宜采用时程分析方法和振型分解反应谱方法分别进行计算。时程分析计算时输入地震加速度最大值可按规定的水平输入最大值的65%采用，反应谱分析时结构竖向影响系数最大值可按水平地震影响系数最大值的65%采用，但设计地震分组可按第一组。

由于实际工程项目分析结果发现，连体结构的竖向反应谱分析经常无法包络竖向时程分析结果，因此，建议采用两种方法分别计算，并对内力结果取包络。

（2）竖向地震波的选取，建议由权威机构根据场地条件专门选择竖向记录波。对于一般项目，当没有专门竖向波时，也可将水平波折减到65%使用，采用多条波进行单向输入，并取响应的平均值。

（3）对于带有悬挑的连体结构，竖向振动响应应进行更为仔细的专项研究（如类似CCTV新址）。

1.3 设计内力调整

（1）连接体的竖向地震作用标准值，不易小于结构或构件承受的重力荷载代表值与下表所规定的竖向地震作用系数的乘积（高规4.3.15）。

表1 竖向地震作用系数

（2）应根据竖向反应谱、竖向时程、表1三者计算结果的最大包络做为竖向地震内力值进行构件设计。

（3）对于表1未列出的情况，如7度0.10g，则根据实际反应谱和时程分析结果二者包络即可，也可提高要求按提高半度或一度后根据表1的最低限值进行控制。

二、人致激励引起的竖向振动

2.1 大跨连体结构人致振动响应特征

（1）大跨度连体结构的人致振动问题，仍然为楼盖的局部振动问题，并非整个连体的振动问题。一般并不因为连体跨度大而变得更为突出。

（2）大跨连体结构的竖向振动频率对局部楼板的振动加速度一般影响很微弱，反而局部区域的振动频率起控制作用。

（3）若以通行为目的的连廊本身质量较轻时，则人致振动受连廊自振频率影响较大。

2.2 舒适度验算要求

（1）人致振动舒适度验算时，应区分整体结构频率与局部楼板频率，区分结构的有效振动质量，弱化对整体频率的控制条件。

（2）应区分连体部分的建筑功能，如以办公为主还是以通行为主，并采用不同的舒适度控制标准（高规3.7.7）。

表2 连体结构楼盖竖向振动加速度限值

注：考察范围内的自振频率为2Hz~4Hz时，峰值加速度限值可按线性插值选用。

（3）当连体部分的建筑功能为办公时，楼盖结构可按单人行走激励计算楼盖的振动响应。

（4）当连体主要为人行通道时，行走的人群密度较大，且可能出现同步行走的情况，其舒适度分析可参考连廊和室内天桥的相关规定，进行人群荷载激励分析。

（5）人群荷载响应计算，可采用“等效同步率方法”，参考法国人行桥技术指南（2006）的简化方法，将n个行人自由地随机行走的最大加速度计算问题转化为Np 个完全同步的行人的最大加速度计算问题，低密度（小于1人/m2 时）和高密度（大于1人/m2时）人群自由行走时的等效人群数计算公式：

低密度：

高密度：

式中n为总人数，为结构阻尼比。总人数n可根据考察的连体空间人群活动总面积与人群密度的乘积获得，人群密度可取0.5人/m2。

该方法是一种较为粗糙的方法，计算结果很大程度上取决于人群运动的同步率，而同步率又与所考察的楼板面积和总人数有关。因此计算结果随考察的区域大小离散性较大。

同步率和总人数的关系曲线

（6）人群荷载响应计算，也可采用一种随机分布抽样的方法。

首先计算单人按指定路径走完全部空间，再对单人激励响应进行随机抽样叠加，抽样的次数达到一定的数量后，统计结果就具有相应的精度，从而得到统计意义上的人群荷载的结构动力响应。人群总数可根据楼板面积和人群密度的乘积获得。

（7）人致荷载的激励形式、阻尼取值等可参考《建筑楼盖结构振动舒适度技术规范》。

三、风荷载引起的竖向振动

3.1 穿堂风引起的连接体竖向振动响应规律

（1）连体底部建筑开洞后穿堂风产生负压，有可能引起连体部分较强的竖向振动。

（2）穿堂风引起的连体竖向振动本质上为一种横风向振动。

（3）穿堂风引起的连体竖向振动是结构的一种整体振动，而非局部振动，这与连体结构的人致振动有本质的区别。

（4）风荷载引起的连体竖向振动与水平风横向振动有较大不同，对频率的敏感性范围有本质不同，不易发生类似水平横风振动的涡激振动，而是以脉动风引起的抖动为主。

3.2 计算要求

（1）穿堂风引起的连接体竖向振动应采用动力时程分析方法进行计算。

（2）风荷载建议通过实物风洞试验或数值风洞模拟获得。

3.3 竖向舒适度的控制标准

《高层建筑混凝土结构技术规程》（JGJ3-2010）3.7.6条对高层混凝土建筑结构提出了风振舒适度要求。规定对于高度不小于150m的高层混凝土结构在现行国家标准《建筑结构荷载规程》GB50009规定的10年一遇的风荷载标准值作用下，结构顶点的顺风向和横风向振动最大加速度计算值不应超过下表的限值：

表3 结构顶点风振加速度限值

对连体结构进行由于穿堂风引起的竖向振动舒适度的评价时，套用上述水平风舒适度评价标准并不合适，建议结合人致振动舒适度评价标准，并调整重现期为1年。

3.4 控制措施

穿堂风引起的竖向振动控制可通过改变连体竖向刚度，如增加连体桁架的高度，也可以在连体底部设置格栅等措施，改变风的流线，从而降低风吸力减小振动响应。

小结

以上对高层连体结构连接体竖向振动的相关问题进行了简要的梳理总结，主要涉及了地震作用、人致激励以及风荷载作用下三类振动问题，着重总结各类问题最显著的特点以及一些设计建议。再次划重点：

（1）地震作用下的竖向振动根据不同情况应区分水平地震引起的竖向振动以及竖向地震本身引起的振动，并注意不同情况影响因素的差异性，构件设计注意包络的取法。

（2）大跨连体人致激励的舒适度问题应注意整体振动频率与局部频率的差别影响，并区分建筑功能和采用相应的控制标准，进行合理的人群荷载模拟。

（3）穿堂风引起的竖向振动舒适度问题，应注意振动的本质和控制性因素，评价标准不宜直接套用水平风振动的舒适度标准。

见于认识水平，有些观点可能存在片面，仅供参考和讨论。