学术研究报告

1 / 18 学术研究报告 河北联合大学硕士研究生学术报告 题目 悬挂系统减震效果分析 姓 名 学 号 学科名称 研究方向 导师姓名 2016 年 9 月 10 日 河北联合大学硕士研究生学术报告 1.悬挂结构的研究背景 悬挂建筑是伴随人类需求而产生的，它代表了人类社会在一定时期内的生产力发展水平和经济实力。悬挂建筑种类繁多、形态各异、内涵丰富。但由于结构理论研究不成熟和材料技术发展的缓慢，迄今 为止，国内外对悬挂建筑各种类型的研究和应用相对较少，对悬挂结构与建筑的有机结合更属陌生 1。 悬挂建筑是应用悬挂结构原理的建筑形态类别，是悬挂结构力学性能、悬挂结构形态和建筑学三个方面的统一。悬挂建筑既创造了一种企图克服重力的建筑视觉形态“悬挂”，又通过悬挂的方式实现了建筑自身的存在状态。可以说，悬挂建筑是通过悬挂表现“悬挂”的，是结构与建2 / 18 筑有机结合的一个切入点。 悬挂结构早期多用于大跨度、大空间的单层建筑结构中，如展览馆、悬索桥等。 1938 年 Williams 提出了用悬挂方式建筑超 高层结构的想法，并拟采用巨型框架悬挂楼层。 20 世纪 60 年代末，由于计算机的应用、结构设计理论的进步以及高强材料和先进设备技术的采用为建筑师创造了更丰富的想象空间，同时也为新颖的超高层建筑结构体系的出现创造了条件。已建成的较为著名的悬挂建筑有 1985年建成的香港汇丰银行、德国慕尼黑 BMW 公司办公楼、美国明尼亚波利斯联邦储备银行、和南非约翰内斯堡标准银行。XX 年 12 月 12 日，广东省博物馆新馆在珠江新城正式破土动工，新馆设计采用混凝土剪力墙 钢桁架悬挂结构体系。建成后的博物馆将是内地第一座采用悬挂式结构的大型公共建筑。与低层和多层建筑相比，如何在高层建筑中较好地解决采光、通风、人际交往、户外活动等方面的问题，仍然是建筑师与结构工程师面临的紧迫任务。巨型桁架悬挂钢结构高层建筑，不仅可以满足建筑师自由设计的要求，而且能够激发建筑师大胆创新的潜能 3。由于该结构用悬挂体系构成内部楼段，可以在空间的不同位置设置大型孔洞，通过调整孔洞的位置、形状、大小，可显著减小结构的风荷载和风振效应，同时创造出多变的建筑空间形态。这个论文便是想通过概念解析、发展历程综述、案例分析以及实际工程应3 / 18 用等方法对高层悬挂式结构抗震等特性进行系统 的阐述，归纳总结出该结构体系的优势和局限性，对该结构体系的布置得出一些有益的结论，同时对该结构形式高层在未来的发展做出展望 4。 2.国内外悬挂结构研究概况 国内对高层悬挂式结构的研究多集中在对该结构的力学性能和抗震性能的分析上，对该结构体系的实际操作施工也有比较丰富的研究。主要成果集中在期刊论文及会议报告中。刘郁鑫在 1998 年在核筒悬挂建筑结构控制体系优化参数分析及避震一文中，首先从悬挂结构的自然、社会及工程属性，讨论其发展历程及特点 6。其次，对单段核筒悬挂建筑结构给出了设计 要点 11。另外，进行了悬挂建筑结构的反应谱和直接积分分析，针对结构的特点提出了分析模型并编制出计算程序。同时，对单段核筒悬挂建筑结构进行了试验，检验结构体系的动力性质。最后，给出了预应力悬挂大梁的分析与设计方法，讨论了预应力筋的形状、梁的截面形式，得出了内力计算公式 8。周坚在高层建筑悬挂结构体系动力分析一文中对高层建筑悬挂结构体系进行了动力分析，分别推导了芯筒刚度按线性及几何非线性考虑、吊杆采用弹性杆和柔索、悬挂楼层与芯筒分离和铰接等几种力学模型的相应公式，并编制了相应的计算程序，计算了算例。对各种 模型的计算结果进行了比较，从而得出了相应的结4 / 18 论。 我国现代房屋悬挂结构的发展起步也不晚， 20 世纪50 年代末已经开始了理论与实验研究，并在 60 年代相继建成了北京工人体育馆和浙江省人民体育馆。北京工人体育馆屋盖便采用了圆形轮辐式悬索体系，其直径达 96m；浙江省人民体育馆采用了椭圆平面的预应力鞍形索网，长、短轴分别为 80m 与 60m。之后直到 80 年代以后悬挂建筑结构体系的研究才又开始进入较好的发展状态。 20 世纪 90 年代末建造的沈阳国税局大楼高 88m，在我国首次采用了巨型框架悬挂结构方案，此方 案将作为钢筋混凝土筒体的巨型柱布置在大楼的四角， 1 层楼高的巨型钢结构桁架梁共布置了 4 层，创造了无柱大空间，既满足了建筑功能，又减轻了地震作用 35。 最新建设的广东省博物馆新馆址广东省标志性文化工程之一。中标方案是源于一个宝盒的概念 要求属厅内形成一个人跨度无柱式空间，且中间设置大面积的中庭，建筑与城市规划相结合，底部形成广场，建筑效果使博物馆在视觉上像一个飘浮下起伏的小丘上的宝盒。建筑概念的新奇最终选用了核筒悬挂结构体系的新形式“箱型核”钢桁架外挑结构体系，外围悬挑达到 23. 5m24。 国外对高层悬挂结构有比较丰富的研究，在各种期刊杂志和书籍上都可见其端倪，且侧重于从结构设计分析的5 / 18 角度对悬挂式结构的力学特性进行相关研究。 1976 年，美国的 Goodno 等建立了悬挂结构动力分析的三维计算模型，将组成建筑的基本部件 核心筒、楼板、悬索、缓冲器等作为子结构，采用超单元法进行了有限元计算 16。 1976 年，前苏联的 Nikolaen 等对悬挂结构的抗震性能进行了计算分析，得出了如下结论： 1)悬挂结构的荷载动力系数标准值为非悬挂结构的 1/2 1/3； 2)荷载动力系数标准值随悬挂荷重与承重构件自重比值的增大而减小； 3)当悬挂荷重构成的摆动自振频率小于时，作用在承重构架上的地震力与悬挂荷重无关。 1979 年，前苏联建筑师格 ?波 ?波利索夫斯基设想出了一种“吊房” 一种采用核心筒悬挂建筑的方案，并进一步延伸想象出“悬浮建筑”、“悬浮城市”的奇妙构思 35。 1982 年，美国的沃尔夫岗 ?舒勒尔从结构设计师的角度，设计出了悬挂体系的各种结构表现形式，并按照不同的结构原理，即刚性筒体原理、拉索桅杆原理 及绷紧体原理，将其归纳为三种不同的结构形式。 在实际工程应用方面： 1971 年建成的加拿大温哥华西海岸办公大楼位于温6 / 18 哥华闹市区。设计要求该建筑物对周围环境的视线阻挡为最小，且要求该建筑物具有良好的抗震性能。最终建筑师将该办公楼设计成为悬挂结构体系 17。建筑物的每层尺寸均为，其中混凝土核心筒的尺寸为 11m 11m。大楼共 21 层，总高度为米。第 13 层对外全开敞，各层钢楼板通过核心筒顶部伸下的钢索悬吊着。 南非约翰内斯堡的标准银行大楼采用了悬挂式结构体系。这座塔式高层的 平面尺寸为，支承在平面尺寸为的刚性核筒上，刚性筒内的面积作为楼梯、电梯和管井之用。整个结构沿高度分为 3 节，每节各有 10 层楼面，分别通过 8根吊杆悬挂在成“井”字形布置的现浇旋臂梁端上 27。 20 世纪 80 年代初新建的香港汇丰银行总部大楼，高出地面 175 米，地上 43 层。该工程正对着皇后广场和商业中心，方案要求不能阻断人流，再加上平面大空间布置的需求，经过各种方案比较，最终采用了悬挂结构体系方案。 5个独立的占有 2 层高度的钢拉杆结构与东西侧的悬吊桁架南北向交叉组合，在第 1l， 20， 28， 35，和 41 层，把结构垂直分成 5 个独立的子结构，分别由钢框架悬吊，楼板在结构的东立面向内收进 37。 另外，国外悬挂式结构体系在多高层上的实践应用还包括德国慕尼黑的宝马公司总部大楼，美国明尼亚波利斯联邦储备银行大楼，伦敦中区泰晤士河畔的河岸广场加建工7 / 18 程等。 3.悬挂模型的设计原则 悬挂结构的受力性能与结构高度、悬挂段数、悬挂楼层数、吊杆布置形式、悬挑面积及构件问连结形式等因素有关，此处主要讨论截面形式及高度限制、吊杆布置形式、连接构造、悬挂楼层及其楼段数。 1）截面形 式及高度限制 悬挂柱的截面形式一般采用圆形、方形、多边形、矩形及椭圆形等，尽量布置成轴对 称形式同时两轴对称方向其抗弯刚度宜相近。悬挂楼段宜对称布置，重心尽量能够与核筒截面形心重合，悬挂楼段形状选取较为灵活，但是挑出形状与柱的形状保持一定的相似性具有较高的美学价值。悬挂转换大梁可以采用变截面，截面可以采用工字形、矩形及桁架，应有利于设备的布置和管线的贯通。吊杆截面可以是圆形、方形或矩形，较一般柱截面要小，可按层高分段预制 42。悬挂结构的柱体承受全部的竖向荷载和水平荷载，柱的底部会 产生很大的轴力、剪力和倾覆力矩，因此，柱截面要有足够大的平面尺寸，必须对柱的高宽比进行控制。结合高层混凝土结构技术规程和有关的文献表明，非抗震设计和 6 度抗震设计时，柱体的高宽比不宜大于 9； 7 度抗震设计时不宜大于 8。高宽比过大的悬挂结构对其位移、倾覆等问题，要进行专门的考虑。 8 / 18 2）吊杆布置形式 吊杆的布置主要有两类形式：一类是单侧吊杆，在悬挂楼层的外侧通过吊杆将楼面荷载传递到结构的悬挂转换层上，悬挂楼段的内侧直接支撑在柱外伸的牛腿上。这种设计方式的楼面部分荷载传递到悬挂转换层，其余部分 荷载直接传到柱体，传力途径简洁，施工难度有所减小，但是对柱外伸的牛腿设计要求较高，需要有足够的安全措施保证在地震荷载作用下牛腿能够支撑楼面，而且楼面的侧移在牛腿的支撑范围内。 另一类是双侧吊杆，在悬挂楼层的内外两侧通过吊杆将楼面荷载全部传递到悬挂转换层上，悬挂楼段与柱之间只设置阻尼耗能柔性连接 33。这种设计方式的楼面全部荷载传递到悬挂转换层上，对悬挂转换层设计要求有较高的安全储备，本文所讨论的模型主要是根据此类吊杆设置的悬挂建筑结构。 3）连接装置 悬挂楼段与悬挂转换 层之问是通过吊杆连接，吊杆的形式主要是采用钢吊杆或后张预应力混凝土吊杆等。吊杆与悬挂转换层之间设置成铰接，如果是后张预应力混凝土吊杆，需要在转换层上留喇叭形孔，使吊杆能够自由摆动，两者之间垫置弹簧及橡胶垫。吊杆下端与悬挂楼层之间的连接为刚性连接，在悬挂楼段外边缘设置囤梁，以保证楼面的整9 / 18 体刚性 38。楼面内圈设置圈梁和吊杆，使得荷载几乎全部向上传递，楼面与柱体之间为柔性连接，两者间根据需要设置阻尼耗能及弹簧装置。总的设计原则是保证连接构件的安全和悬挂部分的摆动耗能。 4）悬挂楼层及楼段数 悬挂楼段中的楼层数与转换层的外挑长度和设计楼面荷载等因素有关。目前已建成的悬挂建筑结构的悬挂最多为 12 个楼层。考虑到减震设计，一般认为设计成 10 层以下为宜。当楼层较少时，可以设置为单段悬挂结构；当楼层较多时宜分段悬挂。多段悬挂的建筑结构可采用多级调频于减震更有利 41。 调频质量阻尼系统已经在结构振动控制方面得到了广泛应用，通常是利用质量块的振动来调节主体结构的振动频率，分配输入的振动能量，达到减振的目的 40。同时，研究表明：单个质量的 TMD 只能消减结构选定模态的响应，而不是任何条 件下都是有效的； TMD 的连结频率与主体结构频率接近时，减震效果最为明显，这时质量块相对于主体结构之间的位移幅值达到最大值；质量比越大，减震效果越佳：TMD 的阻尼对主体结构减震效果的影响不明显 44。 在多高层建筑结构中，利用悬挂式 TMD 的原理，将部分楼面悬挂于主体结构上，形成悬挂建筑结构。这种利用结构的一部分质量悬挂，达到结构震动控制的体系，称为悬10 / 18 挂质量减震体系 SMD。其结构的主要特点是把整个建筑结构设计成一个大型的减震器 39。 SMD 系统与一般的结构相对比，突出的优点是把结构的一部分质量作 为减震质量，无须附加质量块，从而减少了结构质量的参震效应，避免了附加质量对结构造型的影响。与传统的 TMD 系统相比，由于悬挂质量相对于主体结构的质量比较大，通常悬挂楼段与柱的质量比在工程应用的可能的范围内为，而 TMD 的质量比 ，所以 SMD 系统对结构的减震更为有利 35。 参考文献 1 2 3 4 5 吕志涛 , 孟少平 . 现代预应力设计 J，工程力学 . 1998. 鲍育明 . 薛顺应悬挂式结构的巨型桁架对核结构的影 响 J，工程力学 . 1988. 袁发顺 .隔层悬挂楼盖结构新体系及其数值分析 J-工程力学 ,1996. 周云 .摩擦耗能减震结构设计 M武汉：武汉理工大学出版社， XX 11 11th International Conference on Structural Mechanics in Reactor Technology C August 18-23， 1991 Tokyo，Japan 6 Wirsching P H， Campbell G W Minimal 11 / 18 structural response under random excitation using vibration absorberJ Earthquake Engineering and Structural Dynamics， 1974， 2： 303-312 7 Kaynia A M， Veneziano D， Biggs J M Seismic effectiveness of tuned mass dampersJ J Struct Div，1981， 107： 1465-1484 8 李春祥，刘艳霞，王肈民质量阻尼器的发展J力学进展， XX， 33： 194-206 9 Sladek J R， Klinger R E Effect of tuned mass dampers on seismic responseJ J Struct. 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