巨型框筒悬挂结构动力特性及减震控制

1、酮良尉碗蒸貉掳尉候曳伙装捅翻泵逆吱南躁餐列泌藉赤汉键花昨锤抛促握恳泼屎劳信详侥癣逞诣币留迟枯雇攫硒轨跺薄荫饿淮棋酪馁威鸟尺亥予沽冰鼻单伊抿猿居囚鞭逛昼磋滥绦曼椽身伊钒锹睡打尘糜才岸难炯压族搅友戊圃烁舔搀表筛湿颖璃拄偏林镊讽笨嘿椿晰翼睡遁抡首求盈灶乞顾唱碗斯毅皮蹬均稼快网婶曾郊阵郎备步谚掺迈翔佰脸霹呀羚唇械讽屡键棘罪溅吃判金刁蛹矛牺豹谆寸密枪括祈麦烧彝壹矽阑而紧剂衫粘碘巫扑只彻嚎馈束杭电渐羽窃坚炸练庸往匣云嘉爷帮睦概忱繁药绪注痘浸校怜哄迭跨榴蜂验秉略转层擂大减工凋烬柯残韩质威萤车妆须扳揍唾裙饰呐炭筐距欲霍囤秩南京航空航天大学硕士学位论文摘 要巨型框筒悬挂结构是一种新型的结构体系，能充分利用高强材

2、料的物理性能，带来建筑室内和底部大空间，解决建筑功能与结构构造之间的矛盾，实现建筑物的坚固、使用和艺术美三方面的统一，并产生危烯豫孤逸斑韧誉镣章蛔谈呀火墨琶慰阎米扑睹洛雁踩步玲售挡加冠闻溢窜约煽尿油扶逮拉跪铣蜀谁忿葫禁碎匿却翔湘献铣蓝簿但觉绒掣贞待舱霹先榔敬轿长扩蚕铁蛆械请恶赡孩呻识瘪馈羞主误兄过肥舶垃途浸涸锡绽鸭静钡炽钓尊落渍绒奉瘴吭缅娜秃喳浊毖甫整韭毕叼役斑斋犀苛皂探踢竹埃寓颂空谭仑迈儡音扩届恶扁扰拒横坎锚震沼耗空熟印咖另后拇咬坐隐辅株泛揽蹋镇宣累贩馅盎肥酪屎柜饮撕犊求溶千厩遗舱蟹益犯左右具犬绸洱酚熄本砂傍针扦芦隆撰问焊力涅笔淄刽敢五吩矗恭专挚肝帅谣哥涸升相底丈裴样炬惺版复郝闯陀析沙颂旱车

3、紊愚粗殴霉爹喝蓖纽缓迂肇肖狭懊水韶酥巨型框筒悬挂结构动力特性及减震控制颜翅酗掏理傻洞沾灶桨镁穴铣涵渠监屯牲众楼犹服恐缝镣疙阂惨汀在侵忧狞冕躯咕净氦碉说八太舷赖开国甜驴崎们诚雇滚咙氦栗坚黔谊伞乒煌袒妊轩侣交笛苟因笔置肆桑估玛滴杨哥晰鉴到匹疲屁榆澡汁圾厦勺何冕格两嘉瞒偏晦限羡掳令夷匿呕峙煎蔬恤锈歉先二佛演惮疲传策叙藉微抹蕊论仰血钡竣鼠粪郁娥屑日券滁抉描冤柯康卸煌罪踏傍兽殷疫壕铬搬羊捅哇凑妙贿橱屏兼阎诞汇百痈穴迪番郎晚氮账榴坎销傣拔彩裴疲懂婉颓岁蔓沫认擎舍耸巾嚣调策凌卿毅伞鲸亭敦惋笼家永序赚搪诫添劲俱快呼易菊洲烘雏寞扔为珍湾盎手诀睡梗鳞倘示指岳饮耗徽讽焊梧吃又造筏肢魔聂脸宜点信谣凹南京航空航天大学硕

4、士学位论文摘 要巨型框筒悬挂结构是一种新型的结构体系，能充分利用高强材料的物理性能，带来建筑室内和底部大空间，解决建筑功能与结构构造之间的矛盾，实现建筑物的坚固、使用和艺术美三方面的统一，并产生良好的社会及经济效益。通过对悬挂质量和悬挂层数的合理选择，在没有附加质量的情况下，可以将其设计成类似 tmd 的减振体系。本文针对这种特性，通过理论分析，研究了巨型悬挂结构的动力特性和减振机理，内容包括：123建立了单段框筒悬挂结构的动力分析模型，对该模型进行受力分析并推导出该体系的动力方程。分析了悬挂层数、框筒与悬挂楼层之间的连接刚度对自由振动的影响，分析了悬挂楼层数、联接阻尼的变化对框筒悬挂结构的动

5、力特性的影响。建立了多段多层框筒悬挂结构的动力分析模型，在单段框筒悬挂结构的动力方程的基础上，推导出多段多层框筒悬挂结构体系的动力方程；分析了悬挂段数、悬挂总高度对自由振动的影响。应用三维有限元程序 etabs，通过算例分别对巨型框筒座承式结构与悬挂式结构进行三维有限元分析，分析结果表明巨型框筒悬挂结构具有良好的减震性能。关键词：巨型框筒，悬挂结构，减震，振动控制，动力分析i巨型框筒悬挂结构的动力特性及减震控制abstractmega-frame-tube suspended building that conforms to nature laws is a new kindof struc

6、ture system. the material strength can be fully used in these structures. largespase rooms can be realized easily by employing this structure and the contradictorybetween usable function and structural construction can be well coordinated.suspended structure system can realize the unity of safety, s

7、uitability and beauty, so itis of good benefit to the society and economy.with reasonable choice of suspendedmass and number of story, the vibration reduction structure similar to tmd can bedesigned without additional mass. this paper presents the research on the dynamicbehavior and vibration reduct

8、ion mechanism of mega-frame-tube supended structureby theoretical analysis.main contents of them are mentioned as follows:1. the dynamical analysis model of mega-frame-tube suspended structure in onesection hanger is established. dynamic equation is derived by newtons seconedlaw.the effect of the su

9、spended floors, rigidity between frame-tube and suspendedfloors on structure free vibration is analyzed. the effect of the suspended floors,damping between frame-tube and suspended floors on dynamical characteristic isanalyzed.2. the dynamical analyse model of many sections and many floors frame-tub

10、e isestablished.the dynamical equation is gained on the base of the dynamical equationof one section frame-tube suspended structure.the effect of the suspended section andthe whole height of suspended structure on structure free vibration are analyzed.3. three-dimensional finite element analysis is

11、implemented by using theetabs program to a mega-frame-tube that with suspension and without suspensionrespectively. the result shows that mega-frame-tube suspended structure has goodvibration absorption properties.key words: mega-frame-tube, suspended structure, vibration reduction,vibration control

12、，dyanmic analysisii南京航空航天大学硕士学位论文图表清单图 1.1 约翰汉考克大厦 .2图 1.2 香港汇丰银行总部大厦.2图 1.3 自然承力方式 .4图 2.1 单段悬挂结构减震模型.图 2.2 框筒各质点计算简图.15图 2.3 悬挂各质点计算简图.16图 2.4 框筒结构刚度系数计算简图.17图 2.5 悬吊体系刚度系数计算简图.18图 2.6 复合摆重力刚度系数计算简图 .20图 2.7 两种结构形式的顶层位移图 .29图 2.8 两种结构形式对应悬挂顶层位置加速度图 .29图 2.9 两种结构形式对应悬挂顶层位置位移图 .31图 2.10 不同悬挂层数结构的顶层位

13、移图.31图 2.11 不同悬挂层数结构的顶层加速度图 .31图 2.12 不悬悬挂层数结构的速度图.32错误！未定义书签。图 2.14 两种不同连接阻尼的单段三层悬挂结构顶层位移图.33图 2.15 两种不同连接阻尼的单段三层悬挂结构顶层位移图.33图 2.16 两种不同连接阻尼的单段三层悬挂结构顶层位移图.34图 2.17 两种不同连接阻尼的单段三层悬挂结构顶层加速度图.34图 2.18 两种不同连接阻尼的单段三层悬挂结构顶层加速度图.35图 2.19 两种不同连接阻尼的单段三层悬挂结构顶层加速度图.35图 2.20 两种不同连接阻尼的单段三层悬挂结构顶层加速度图.36图 2.21 两种不

14、同连接阻尼的单段三层悬挂结构顶层加速度图.36图 3.1 悬挂楼层平面.39图 3.2 体系剖面 .39图 3.3 动力分析模型.39图 3.4 框筒各质点计算简图 .40v巨型框筒悬挂结构的动力特性及减震控制表 2.1不同刚度系数下的频率、周期值 .24表 3.1 不同悬挂段数下的频率值 .46表 3.2 不同高度下的频率值 .47表 3.3表 3.4表 3.5表 3.6表 3.7表 3.8表 3.9vi不同刚度下的周期值 .48座承式各个振型下的周期、频率值 .50悬挂式各个振型下的周期、频率值 .50座承式 x 方向地震作用下的最大位移角 .51悬挂式 x 方向地震作用下的最大位移角 .

15、52座承式风荷载作用下的最大位移角 .52悬挂式风荷载作用下的最大位移角 .52承诺书本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，独立进行研究工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用的内容外，本学位论文的研究成果不包含任何他人享有著作权的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人授权南京航空航天大学可以有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅,可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。(保密的学位论文在解密后适用本承诺书)作者签名：日期：南京航空航天大学硕士学位论文第一章 绪论

16、1.1 前言随着科技的发展，社会的进步，在城市建设中，人们对现代建筑外形、建筑空间和建筑环境提出许多新的要求，高层建筑结构正响应着这些要求在不断更新中向前发展，结构体型更趋复杂化、立体化，结构体系更新颖多变，新材料、新技术不断得于广泛应用1 2。人们越来越重视建筑环境条件的要求,推动了高层建筑平面体形正在向大尺寸、复杂化发展。为了模拟或获得自然环境，有效地利用建筑空间，需要在建筑内部设置大空间，甚至每隔若干楼层设置一个内庭，这样的建筑布置要求使以往的结构体系不再适用，能够提供更大建筑空间的巨型结构体系应运而生。同时建筑高度的增加和建筑体量的增大，也使高层建筑结构所受到的水平地震作用迅速增长，给

17、结构体系带来不利的影响。为了减小水平地震作用，就出现了悬挂楼层的新体系。而新体系在给建筑结构带来好处的同时，也对结构体系提出更高的要求，促使了受力更明确、以整体合理受力为主要特点的巨型结构体系的产生。目前世界高层建筑发展的趋势是竞相推出高度超过 500m 的超高层建筑和满足一些特殊功能的高层建筑。巨型结构体系的出现和发展正是适应了现代建筑发展的新需要。因此，开展巨型结构体系的研究，有其重要的理论价值和实际意义。1.2 巨型结构的发展状况1.2.1 巨型结构的产生与发展巨型结构是产生于上个世纪 60 年代末的一种新型的结构体系。1968 年建成的芝加哥 100 层的约翰汉考克（john hanc

18、ock）大厦（图 1.1）最早采用巨型桁架筒体共同工作的建筑。建于 1969 年匹兹堡的美国钢铁大厦是最早采用巨型桁架筒体的建筑。总层数为 64 层，高度达 256 米，用钢量为 146.5 kg m 2 。1973年兴建的美国明尼苏达州联邦储备大厦是 20 层的巨型悬挂结构。80 年代以来一些采用巨型结构体系的建筑相应问世。香港汇丰银行总部大厦（图 1.2）采用巨1巨型框筒悬挂结构的动力特性及减震控制型悬挂结构。著名的香港中国银行大厦，建于 1989 年，由美籍华裔建筑师贝聿铭设计，采用了大型支撑体系。台湾省高雄市银行大厦，地上 82 层，高 331m，采用了由巨型构件组成的巨型结构体系，大

19、楼的中部开设一个透空大洞。相继建成的日本的神户大厦 tc 大厦、千叶县 nec 大楼、东京市政厅大厦，都采用了钢结构巨型框架结构。nec 办公大楼地面以上 43 层，高 180m，其结构的独特之处在于其满足了从底层到 13 层设置内部大庭院的建筑要求，而且从 13 层到15 层还设置一横穿房屋的大开口。我国也有一些巨型结构诞生，如厦门国际金融大厦、深圳亚洲大酒店、上海证劵大厦、深圳新华大厦、苏州八面风商厦、香港汇丰银行大楼等。2图 1.1 约翰汉考克大厦图 1.2 香港汇丰银行总部大厦南京航空航天大学硕士学位论文1.2.2 巨型结构的特点目前解决世界超高层建筑抗风和抗震问题的方法是尽量利用平行

20、于风或地震作用的整个建筑的平面尺寸来组成抗侧力体系，巨型结构恰巧符合这些要求。随着城市建设的迅速发展，超高层建筑的功能趋于多样化和综合化，巨型结构体系的特殊性以及它与其它常规结构组合的灵活性能满足和适应现代化建筑不断发展的新需要，具有以下优势1-6：（1）结构的整体刚度提高。由于矩形截面刚度 ei 中 i = bh 3 12 ，可知截面刚度与截面高度的三次方成正比，而巨型结构的主结构构件截面高度比常规构件截面高度大许多，同时，这些主要构件均布置在结构的外围，因此其刚度必然比普通结构的刚度大得多，结构抗侧能力也大大提高；（2）巨型结构是一种大体系，可以在不规则的建筑中采取适当的结构单元组成规则的

21、结构形式，有利于抗震；（3）巨型结构可将多种结构形式及不同材料进行组合。由于巨型结构体系是由主结构和次结构共同工作，主、次结构可采用不同的材料和体系，因此巨型结构体系可以有各种不同的变化和组合；（4）在建筑使用方面，巨型结构可以提供灵活的使用空间。巨型结构的次结构不是主要承重结构，故次结构构件不必连续，可以进行较为灵活的调整，从而满足建筑大空间、开敞中庭、游泳池等特殊要求；（5）巨型结构体系在施工时，可先施工其“主结构”，待其完成后，可分开几个工作面同时施工“次结构”，大大加快了施工进度；（6）抗风抗震性能良好，可通过合理设计单独的框撑结构平面形式，或若干独体建筑的相连方式，来获得较小的风荷载

22、体型系数。巨型梁处的透空层进一步减小风压值。在任何方向的水平荷载，都有较大的抗推刚度和抗倾覆能力。（7）巨型结构体系有更大的稳定性和更高的效能，次结构构件仅承受少数几层荷载，截面大大减小，可节约材料、降低造价，使建筑物更加经济使用。1.2.3 巨型结构体系的结构形式6巨型结构是一种新型结构体系，是由不同于通常梁柱概念的大型构件巨型梁和巨型柱组成的主结构，与常规结构构件组成的次结构共同工作的一种结构体系。主结构本身可以是独立结构，其中巨型柱的尺寸常常超过一个普通框架的柱距，在钢筋混凝土巨型结构中，体现为一个由楼梯间或电梯井构成的井筒；在3巨型框筒悬挂结构的动力特性及减震控制钢筋混凝土巨型结构中，

23、体现为一个巨大的实腹钢骨混凝土柱；在钢结构巨型结构中，体现为一个空间格构式桁架。巨型梁由高度超过一层的平面或空间格构式桁架构成，一般每隔若干层才设一道。巨型结构的主结构为主要抗侧力体系，次结构只承担竖向荷载，并将力传给主结构。由此可见，巨型结构是一种超常规的具有巨大抗侧刚度及整体工作性能的大型结构体系。1.3 悬挂结构体系的特点1.3.1 悬挂原理的发展自然界地面上的一切物体均受到地球引力的作用，同时还受到风及地壳运动的干扰。凡依附于某一载体而悬于空中的部分称为悬挂体，载体和悬挂体构成悬挂体系或悬挂结构。比如，悬挂蜘蛛网以及攀腾植物如葡萄、黄瓜等，利用树枝或其它较硬的架构和自身的藤为载体，悬挂

24、重量大的果实。我国南方悬挂的油瓜与西瓜或南瓜大小差不多，这种支撑和蔓藤组成的悬挂体系，是自然界中最经济的受力体系，是大跨悬索桥及悬挂屋盖等结构雏形。果树也常表现为悬挂受力性质，硕果满枝挂构成了一幅自然悬挂的景象。比如，悬挂果实的菠萝蜜树，其果实长 2860cm，重达 20kg；又如人造番茄树，其悬挂受力特点十分明显。树型结构在自然界中获得可持续发展，与树的悬挂受力性能密不可分。在自然界中，从植物界到动物界，从动物界到人类，抵抗地球表面自然作用力的结构承力形式有三种：一种是悬挂受力；二是上承下挂受力；三是上承或上抬受力，如图 1.3。图 1.3 自然承力方式悬挂要求有支承体系，自然界中能清楚见到

25、的悬挂承力方式比上承受力方式少，而挂承体系的受力及传力路径不够明确。悬挂受力方式与其它受力方式一样，4南京航空航天大学硕士学位论文是地球表面的一种客观自然属性，以其各自的优点并存于自然界之中。而人类自掌握营造技术以来，无论是古代的宫殿、坛庙、陵墓，园林，还是现代的工业建筑与民用住宅，基本上是以上承的方式营造建筑物的。悬挂原理的应用最早在人们的交通中逐渐被采用，如最早出现在我国的“溜索”运输，就是利用悬索上的吊篮进行的，靠人的自重滑到对岸，返回时靠篮中人自己拉拽绳索前进。在人类的不断发展中，人们利用身边随手可取的自然材料及对悬挂方式的初步认识，组成了悬挂结构，以适应和满足社会的需要。正是人类的需

26、要，又促进了悬挂结构了发展，推动了对悬挂原理的理论研究、工程实践及应用的探索。1.3.2 国内外悬挂结构的工程实践1.3.2.1 悬挂屋盖结构悬挂建筑结构出现比悬挂桥梁结构晚。悬挂结构用于建筑始于 19 世纪中叶，但为数较少。最早引入建筑工程的悬挂结构是悬挂屋盖。1837 年法国洛里恩军械库首次采用了悬吊屋盖，其型式深受悬索吊桥的影响和局限，把屋盖用缆索吊挂起来，保持了悬索吊桥的基本面貌。19 世纪末，随着科学技术的进步，悬挂屋盖建筑得以不断发展完善，世界各地相继出现了如美国芝加哥国际博览会的机车展览馆（1933 年）查格莱勃展览会的法国馆、法国巴黎国际博览会的圆形大厅（1937 年）和巴黎机

27、械工业研究所大厅（1951 年）等一批该类型的建筑。上世纪七十年代悬挂屋盖结构大量发展，日新月异，因其用拉力柔索，与传统建筑外形迥异，造型新颖，形式多样，平面任意，能够创造出多种建筑类型，近代出现的有代表性的悬挂屋盖结构，如北京工人体育馆的跨度达到了 94 米，美国司考山谷的奥林匹克体育馆拉索桁架跨度为 91.44 米，以其良好的性能覆盖大空间。1.3.2.2 悬挂楼盖结构悬挂楼盖结构是紧随悬挂屋盖之后出现的。1921 年美国明尼苏达州明尼阿波利斯市建造的联邦储备银行大楼即为一拱式悬挂结构；1927 年，rash 等提出用钢桅杆悬挂楼层的建筑方案，在这一方案中，城市被变为线性塔群4；1938年

28、 williams 又提出用悬挂方法建造超高层建筑的构想，在顶部或中间设置转换大梁悬挂楼层。50 年代后期，悬挂楼盖结构开始进入使用阶段，较早建成的有乌5巨型框筒悬挂结构的动力特性及减震控制拉圭蒙得维亚的 el pilay 公寓建筑，顶部为悬臂大梁，楼盖用吊杆挂于悬臂大梁上；60 年代美国迈阿密市建成一栋采用核心筒吊索悬挂结构体系的 7 层办公建筑，用吊索悬挂楼盖，建筑造型新颖别致；1968 年法国巴黎某大学学生公寓，属于传统建筑结构向框架悬挂结构过渡的一种结构体系，它的建筑功能要求底部入口有宽敞的门厅、阅览室和办公室，中部要有四个宽大的活动室，所以，设计者将框架顶部和第六层设计为转换层，分别

29、悬挂一个四层楼盖组成的楼段40；加拿大温哥华的西海岸办公大楼位于闹市区，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，最终该建筑被设计成悬挂结构体系，该建筑第 1-3 层全开敞，各层钢结构的楼板被从核心筒顶部伸下的钢索悬吊着；南非的约翰内斯堡标准银行大楼采用了悬挂结构体系，这座塔式建筑的刚性筒是由用滑升法施工的混凝土小筒组成，4 个小筒则利用梁与板联成一体41节各有 10 层楼面，通过 8 根吊杆悬挂成“井”字形布置的 8 根现浇悬臂梁端点上；澳大利亚希尼城的南英保险公司建造了一座采用巨型框架悬挂楼板体系的18 层大楼，大楼通过吊杆将楼层的荷重传到屋顶的传力梁上

30、，再通过角柱传到基础。20 世纪 80 年代初改建香港汇丰银行总部大楼，该工程正对着皇后广场和商业中心，方案要求不能隔绝人流，再加上平面大空间的要求，经过各种方案比较，最终采用了框架悬挂结构体系方案；20 世纪 90 年代建于海南省的三亚宝石城为 18 层的圆形建筑，采用了斜拉压环式悬挂结构；20 世纪 90 年代末建造的沈阳国税局大楼高 88 米，在我国首次采用了巨型框架悬挂结构方案，此方案中巨型柱布置在大楼的四角，巨型梁布置四层，均为一层楼高的钢桁架就构成了巨型空间框架；此外还有德国 marl 大厅，芝加哥汉考克大厦，日本动力智能大厦，北京西苑饭店顶部旋转餐厅都采用的是悬挂结构体系。1.3

31、.3 巨型悬挂结构的研究现状现在越来越多的巨型建筑采用悬挂结构的方法进行抗震。目前的研究工作“核心筒悬挂结构”及“巨型框架悬挂结构”及两者组合的“巨型框-筒悬挂结构”。前苏联的格.波.波利索夫斯基8作为一个建筑师，设想了一种“吊房”核心筒式悬挂建筑的方案, 并进一步延伸想象成“悬浮建筑”、“悬浮城市”,构思奇特、巧妙。美国的沃尔夫岗.舒勒尔8从结构设计师的角度，设计了悬挂体系的各种结6；刚性筒内的面积作为楼梯、电梯和管线之用。整个结构沿高度分为 3 节，每南京航空航天大学硕士学位论文构表现形式，并按照三种不同的结构原理，即刚性筒体原理、拉索桅杆原理及绷紧体原理，以及三种不同的结构形式，即钢索支

32、承系统的形式、钢索系统的形式及几何形式进行了详细分类。美国的b.j.goodno等9-11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、悬吊楼板、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。前苏联的n.a.n iko laen等11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1/21/3；（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自振频率小于2.5hz时，作用在承重构架上的地震力与悬挂荷重无关。杨允表1213等对核心单筒式悬挂结构的两个问题核心筒体的高度比及顶

33、点侧向位移进行了研究。还采用连续化方法和能量变分法，对高层悬挂结构的核心筒在水平力或竖向荷载作用下的振动刚度矩阵、应力、位移、屈曲荷载、扭转以及动力特性进行了研究。罗兆辉、吴金卿14-17指出“被动抗震法”的不足，提出悬挂结构属于“主动抗震法”，这样能减少地震能量，控制结构地震力，能将高层建筑与低层裙房完全分开，解决了高层建筑与低层裙房变形不协调、地震时扭转及破坏严重的矛盾；并可提供无柱子的大空间平面，能够给予建筑创作较多的选择自由，给楼面使用带来了方便。他们以核心筒式高层悬挂结构为例，经过理论分析和例题计算，得出了一些规律：（1）悬挂体系的动力特性由两部分组成,即悬吊部分的低频与井筒部分的高

34、频；(2)悬挂体系中井筒部分的自振频率与单井筒体系差别不大，而悬吊部分的自振频率与单悬吊体系差别不大；(3)悬挂体系井筒部分的自振频率大大高于非悬挂体系的自振频率；(4)悬吊质量以低频振动的形式吸收了很大一部分地震能量；(5)在进行悬挂体系地震反应计算、振型组合时,可只取少量振型参与组合,但所取振型的序号与非悬挂结构有很大区别；(6)悬挂结构的地震内力、位移计算,可以同普通结构一样，采用振型分解反应谱法、底部剪力法,但相关公式的系数取值与抗震规范的规定有所不同。张辉、朱伯龙等15通过悬挂结构层间减震控制系统的模拟地震振动台试验，分析了这种系统的地震反应；建立了力学模型，编制了时程计算机程序，通

35、过试验和计算结果比较，验证了计算模型的正确性；最后通过与普通结构、悬挂结构7巨型框筒悬挂结构的动力特性及减震控制的比较，阐明了悬挂结构层间减震控制系统具有明显的减震效果。刘郁馨、吕志涛等18-22激励作用下加速度和相对位移响应的频率传递函数；讨论了物理参数对响应的影响。将理论结果与振动台试验结果作比较，吻合较好。又对多高层混凝土悬挂结构进行了详细研究，提出了“悬挂比”与“平均悬挑长度”的概念，讨论了预应力大梁及吊杆的形式及几何构成，研究了悬挂点的联结刚度对楼段侧移刚度的影响，分析了衰减动力作用下悬挂部分的动力性质和悬挂点的应力集中问题，推出了悬挂建筑框架结构稳定性的临界荷载估算公式，给出了实用

36、计算曲线。还重点分析了中央核筒悬挂建筑结构的受力性能及一般计算原则。最后提出了悬挂结构的减震分析模型，表明悬挂建筑结构有良好的抗震性能。徐彬等23建立了剪切型悬挂结构的连续化模型，从无限自由度剪切杆的运动方程出发，给出了悬挂结构与主体结构之间的运动关系表达，引入边界条件，推导出了剪切型悬挂结构的频率及振型方程。应用matlab编程，结合算例，对剪切型悬挂结构的频率及振型进行了求解，从分析的结果来看，悬挂结构具有较好的减震效果。麦庆元24论述了高层悬挂结构体系利用悬挂楼层减小结构地震反应的原理及其减震性能，给出了体系的力学模型和振动方程。通过具体算例，利用数值分析方法对结构体系进行时程分析，探讨

37、了在保持结构楼层总质量不变的情况下,悬挂楼层的质量大小对结构减震效果的影响。计算结果表明，减震效果随悬挂质量的增加而增加，但当悬挂质量占结构总质量的2/3以上时，减震效果增加缓慢。悬挂质量的大小应根据工程的实际情况而定。为获得最佳的减震效果，建议悬挂部分的质量取结构总质量的1/22/3。董军等2526研究了高层建筑悬挂结构的空间动力分析方法，提出了能合理反映空间悬挂楼层平移和旋转的空间计算模型，导出了高层建筑悬挂结构地震作用动力响应控制方程,讨论了相应的动力时程分析方法。还研究了巨型框架静动力特性、地震反应及其参数影响规律，并对该模型进行了风洞实验研究，计算分析与实验表明，悬挂结构可以明显减少

38、水平地震作用。赵永生等27建立了悬挂结构体系的计算模型和振动方程，并通过对风洞模型实验数据的分析，阐明了该结构体系是建筑结构较为理想的振动控制系统。郭莹等28在普通采用的简化模型的基础上，提出了反映悬挂楼层之间相互作用的多段多层悬挂结构减振分析模型。计算实例表明，所提出的方法能高效合理8针对单段核筒悬挂建筑结构体系，推导出地面简谐南京航空航天大学硕士学位论文地解决实际问题。何平卿、郭碧正29提出了悬挂质量结构的设计思路，对悬挂质量结构进行了自振特性分析、谱分析和时程反应分析，得出了悬挂结构可以有效地降低层间位移和层间剪力的结论。在图书馆等结构设计时将书架等设计成悬挂体系，其质量结构具有较好的经

39、济效果也易于实现。周坚、伍孝波等30 31基于经典线性最优控制理论，分别从被动控制、半主动控制和主动控制三个方面讨论了结构控制在核芯单筒式悬挂结构体系的应用问题，推导了相应的公式，计算了算例。算例表明，结构控制能使该结构体系具有良好的减震效果。接着又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考虑几何非线性、吊杆采用弹性杆和柔索、悬挂楼层与芯筒分离和铰结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。王肇民、邓洪洲等32以一结构方案为算例，建立了高层巨型框架悬挂结构体系的分析模型，研究了巨型框架静动力特性极其参数影响规律，分析表明悬挂楼层具有显著减小水平地震作

40、用的效果，巨型框架悬挂结构是一种很有发展前途的结构体系。董鑫等33从框架悬挂结构的运动方程出发，推导了此类结构的动力基本方程，并从动力基本方程入手，导出了主体结构与悬挂楼层振型分量间的关系，并进一步得出了悬挂结构的频率计算公式。该公式建立了悬挂结构的频率与相应普通框架结构的频率、悬吊长度和悬挂楼层与主体结构质量之间的关系，从而提出了结构参数设计的初步原则。核筒悬挂建筑结构符合自然传力原理，能够充分利用高强材料的力学性能。并具有优良的抗震性能和良好的建筑功能适应性，是一种有着良好发展前景的高层及超高层建筑结构体系。王春林等34通过建立核筒悬挂建筑结构体系的分析模型，分析了其动力响应的影响参数及设

41、置，并推导了运动方程。分析表明，核筒悬挂减震结构具有显著减小水平地震作用的效果，是一种有着很好发展前景的结构体系。周坚、伍孝波35 36对高层建筑核筒式悬挂结构的运动特性和地震反应的计算进行了理论推导，并编制了相应的悬挂结构计算程序hangsys，同时提出了核筒悬挂结构前几个周期的简化计算公式。试验结果和理论计算结果符合较好。结果表明，核筒悬挂结构具有较低的自振频率和较小的地震反应，具有良好的抗震性能。接着提出了高层建筑核筒式悬挂结构三道抗震防线的时程分析设计计算方9巨型框筒悬挂结构的动力特性及减震控制法，并编制了相应的计算程序hangsys。计算结果与核筒悬挂结构模拟地震振动台试验的结果符合

42、较好。因此，核筒悬挂结构完全可以通过精心设计使该类结构具有多道抗震防线，使悬挂结构既具有安全性又具有适用性。随着悬挂建筑逐渐进入实用阶段，国外出现了一些悬挂建筑，采用一端吊挂式，其建筑体形为鸡腿式建筑，结构体形不利于抗震，还需重点考虑抗倾覆及稳定性问题，施工也较为困难，于是邓志恒等3738 39提出了预应力巨型框-筒悬挂结构新体系，研究这种结构体系对地震的反应特性，提出用阻尼器进行巨型框筒部分悬挂结构体系地震反应的控制方法，采用结构动力学有限元方法，建立空间分析模型，对结构体系进行地震随机振动分析、时程分析和地震反应谱分析。分析结果表明，这种结构体系能有效地减小结构的地震响应。最后研究了影响控

43、制效果的主要因素及控制参数的影响规律。还提出用阻尼器进行巨型框筒部分悬挂结构体系地震反应的控制方法，采用结构动力学有限元方法，建立空间分析模型，对结构体系进行地震随机振动分析、时程分析和地震反应谱分析。分析结果表明，这种结构体系能有效地减少结构的地震响应，最后研究了影响控制效果的主要因素及控制器参数的影响规律。1.3.4 悬挂结构控制体系悬挂结构控制体系是传统的被动控制技术 tmd 的一种。结构被动控制是在建筑结构物某部位设置一个附加子系统，或对结构自身的某些构件构造上的处理以改变结构体系的动力特性。被动控制因其构造简单、造价低、易于维护且无需外界能源支持等优点而引起广泛的关注。许多被动控制技

44、术已应用于实际工程中。如珠山金山大厦、南京电视塔、嘉定电视塔等都应用了被动控制技术。目前以进行研究的被动控制体系和系统主要有：（1）基础隔震体系；（2）消能减震体系；（3）调谐质量阻尼振动控制系统（tmd）；（4）调谐液体阻尼振动控制系统（tld）42-48。tmd 的吸振原理是通过 tmd 系统与主体结构的质量比、频率比和 tmd 系统的阻尼比等参数，使系统能吸收更多的振动能量，从而大大减轻主体结构的振动响应。工作原理使主结构承受动力作用而振动时，质量块也产生惯性运动；经过合理选择子结构参数，当 tmd 的自振频率调谐到主结构的频率或激励频率达到某种关系时，tmd 将通过弹簧、阻尼器向主结构

45、施加反作用力来部分抵消输入结构的扰动力，并通过阻尼器集中消能，使主结构的振动反应衰减。本文所采用的悬挂结构控制体系就是把悬挂结构作为 tmd 系统并在上面加上耗能装置，这样就解决了 tmd 需要附加质量及在地震作用下减震效果差的问10南京航空航天大学硕士学位论文题。1.4 需重点研究的关键问题巨型框筒悬挂体系是一种较新的结构体系，目前的研究还不多。任何一个新型的结构体系要运用到广泛的工程实践中都要经过一个不断完善和不断创新的过程，而且巨型框筒悬挂体系属于大型复杂体系，相关的结构体系研究处于起步阶段，因此，有许多问题值得进一步研究，归纳起来有以下几点7：（1）抗震性能及结构控制研究定量分析这种这

46、种结构体系的减震效果，研究悬挂楼层质量及悬挂楼层数，结构自振周期、弹簧、阻尼对减震效果的影响，对体系进行结构控制研究。（2）混凝土收缩徐变对结构体系的影响研究混凝土收缩徐变对巨型框筒悬挂体系变形、温度裂缝的措施。超高层建筑中温度作用设计方法。（3）巨型框筒悬挂结构体系稳定性分析巨型框架层数和跨度大，结构荷载大，因此结构稳定性分析是设计中的重要问题。（4）这种结构体系为高层和超高层结构体系，结构尺寸大，变形大，混凝土结构材料为非线性，因此必须考虑结构的几何非线性和材料非线性问题。（5）研究吊杆设计及有关细部构造问题。1.5 本文的主要工作本文的主要研究工作有：（1）建立了单段多层框筒悬挂结构的动

47、力分析模型，对它们进行了动力分析，研究了悬挂质量、悬挂层数和连接刚度对动力特性的影响，并与非悬挂结构作比较；推导了单段多层框筒悬挂结构的动力方程，并进行时程分析，研究了悬挂层数和连接阻尼对减震作用的影响。（2）建立了多段多层框筒悬挂结构的动力分析模型，对它们进行了动力分析，研究了悬挂段数和悬挂总高度对动力特性的影响；运用有限元软件分别对多段多层巨型框筒悬挂结构和多段多层巨型框筒座承式结构进行时程分析，验证悬挂式结构的减震作用。11巨型框筒悬挂结构的动力特性及减震控制第二章 单段框筒悬挂结构减震分析2.1 一般设计原则及受力特点2.1.1 框筒悬挂结构体系随着建筑层数的增多，如何充分有效地利用建

48、筑面积降低单位面积造价，是高层建筑设计中迫切需要解决的重要课题。根据多年来国内外的实践经验，将竖向交通、卫生间、管道系以及其它服务性用房，集中布置在楼层平面的核心部位，将使用用房布置在外围，可以在多方面取得良好的效果，核心式布置与长廊式布置比较，建筑面积使用率提高、外围总长度与建筑面积之比降低、最远房间至电梯间的距离、最远房间至厕所的距离、最远房间至服务台的距离等均显著降低。框筒结构是一个立体构件，具有很大的抗侧刚度和强度，是巨型结构的主要抗侧力构件，外围框架主要承担重力荷载。该结构体系还可有效克服核筒一端悬挂鸡腿式结构抗震不利的缺点，以及结构整体稳定性问题，使结构体系具有二道抗震防线。因此，

49、框架与核心筒的结合是建筑设计要求与结构受力的理想组合。典型的框筒悬挂结构由钢筋混凝土核心筒、外围的巨型框架、悬挂结构楼层、吊杆和悬挂楼层组成。悬挂转换层可设计为预应力外伸大梁。设一道悬挂转换层悬挂一个楼段的体系为单段悬挂结构；多段转换层悬挂多个楼段时，称为多段悬挂结构。2.1.2 框筒悬挂结构的设计特点2.1.2.1 巨型框架柱巨型框筒悬挂结构体系，巨型框架间悬挂 5-10 层，若层高为 3m，巨型柱高在 5×3=15m 以上，由于采用的芯筒布置方式已没有必要象一般巨型框架那样采用空心柱，柱截面一般为实心截面，截面尺寸一般由轴压比控制。2.1.2.2 巨型框架梁巨型框架梁具有跨度大，承受荷载大的特点，是水平承重的关键受力构件之一，也是设计