巨型桁架悬挂钢结构体系抗震性能研究

1、 没有百度文库财富值 请到文库帮手网 免费帮下载 百度文库积分 资料本文由201086q贡献pdf文档可能在WAP端浏览体验不佳。建议您优先选择TXT，或下载源文件到本机查看。南京工业大学 硕士学位论文 巨型桁架悬挂钢结构体系抗震性能研究 姓名：马宏 申请学位级别：硕士 专业：结构工程 指导教师：董军 20030501南京工业大学硕士学位论文摘要由于人口快速增长和土地资源的紧缺，高层建筑迅猛发展，对城市景观和人们的生 活产生了多方面的深刻影响。在高层建筑发展的过程中，巨型悬挂结构因其具有独特的 建筑造型、优良的结构性能、能满足多变的建筑功能要求而得到发展。本文在对巨型结构和悬挂结构发展研究现状

2、做出综述的基础上，提出了一种全新的结构体系巨型桁架悬挂结构。建立了巨型桁架悬挂钢结构建筑的空间三维模型，运用有限元方法，研究 了巨型桁架悬挂钢结构的静力特性、基本动力特性及水平地震响应规律，同时与巨型框 架悬挂钢结构、巨型桁架非悬挂结构模型进行了对比研究。分析表明巨型桁架主结构能 有效提高结构的抗侧能力，子结构采用悬吊的方式能有效控制主体结构的地震响应，巨型桁架悬挂钢结构是一种高效的新型结构体系。 与低层和多层建筑相比，怎样在高层建筑中较好实现采光、通风、人际交往、户外 活动等方面要求，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

3、够促进建筑师的大胆创新。由于 该结构用悬挂体系构成内部楼层，可实现在空间不同位置设置大型，通过调整； 的位置、形状、大小，可显著减小结构的风荷载和风振响应。基于此本文针对底部开敞、上部透空和内部中庭三种典型的空间开洞措施进行了模拟，分析了悬吊质量在竖向和水 平不规则分布对巨型桁架悬挂钢结构建筑地震响应的影响，对结构体系布置得出了一些有益的结论。关键词：高层建筑结构体系巨型桁架悬挂钢结构地震响应分析空间开洞建筑内部中庭 ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ！ ， ? ， ， ：， ， ， ，南京工业大学硕士学泣论文第一章绪论高层建筑发展概况高层建筑的内涵 高层建筑是近代科技进步和经济发展

4、的必然产物，至今已有百余年的历史。高层建 筑是一个相对的概念。建筑高矮是与人的感觉和地区的环境有关的，不能简单地用高度 和层数来界定，因此也无法用一个统一的标准来定义。不过从结构工程师的观点来看， 当一个建筑因建筑的高度使侧向风荷载或地震的影响，成为主要作用时，该建筑应列入 高层建筑。美国结构工程师曾建议，将高层建筑划分为三类【】： 低高层建筑，层数少于层： 中高层建筑，层数在层与层之间； 超高层建筑，层数多于层。 按照我国通常看法，超高层建筑一般泛指高度在、层数在层以上的建筑。 高层建筑结构的发展演变”。 古代高层建筑多为木结构或砖石结构，结构形式多为承重墙体及筒体结构。如我国 唐代在西安所

5、建大雁塔，层，高，砖砌塔身，木楼板，为简体结构。 世纪末，美国南部砖石结构高层建筑迅速发展，该结构体系的最高建筑是层 的芝加哥的大楼，建筑底部的墙体厚度超过，占去了大量楼面面积， 为承重墙体系。 世纪的工业化引起社会经济飞跃，第一栋完全用金属框架承重的高层建筑是建于 年的层的芝加哥 大楼，第一栋全钢框架结构建筑是建于 年的层的 大楼。两年后，在同一个城市层的教堂采用了竖 向桁架加斜支撑的框架结构，这就是剪力墙和框架支撑结构的原始形式，改建筑考虑了 风荷载对建筑高度的重要影响。美国建造摩天大楼的黄金时代在年达到顶峰，帝国 大厦（ ）采用了钢框架支撑结构，共层，高。 世纪年代的经济萧条终止了巨型摩

6、天楼的时代，直到二战结束后许多年高层 建筑的建造才开始复苏，并带来了全新的建筑风格和结构形式。美国结构工程师 在年代首先将框筒结构用于高层建筑。框筒结构是现代高层建筑结构体系最重大的 发展之一，它具有较大的抗侧刚度又易于施工，适合建造很高的建筑。框筒结构虽然是 一种有效的抗侧力结构体系，但它固有的剪力滞后效应削弱了它的抗推刚度和水平承载 力，严重影响了框筒结构的性能。框筒结构最著名的实例是年建成的纽约世界贸 易中心（）的一对姊妹楼，层，高。框简结构衔生出一系列简体结构体系。在外框筒表面增设斜撑形成大型支撑框筒结第一章绪论凌，可穆葵力整大籀撂终羁鏊藿；藏部，苁嚣女嚣葵力漤盖效应。大塑支撵撞簿结秘

7、嚣典 型建筑是年建于美国芝加哥的约翰?汉考克（ ）大厦，屡，高， 沿建筑物的立面加了五道形支撑，外框筒的柱躐增大到，结构用钢量仅为 。采用成束筒结构提高结构内部抗侧构件刚度和结构空间协同工作能力，能够 有效的改进椴麓结构的受力性能，美国芝加哥年建成的层的西尔斯（） 大厦，衰达，霆组辐嗣携镶罐絮摇互正交，内郝形残丸个成衷餐，遮座建笺傈持 最高建筑静鬣赛纪录直至年。篱中篱结梅是激狴篱结构演变露寒，它是盘井部框 筒和内部电梯及设备芯筒组成，遇过弯曲型构件和翦切型构件侧向变形的相互协调，可 以有效地减小结构最大层间侧移角；通过内外筒之间的伸臂桁架，加强内外筒的连接， 使结构在藏体抗弯中发挥更大的作用。

8、典型建筑如我嗣上海的国贸中心大楼，层，高。俸隧豢稳笼交替熬经济繁浆，氆赛各餮攮越蓊瓣建竣高爱建筑魏赢漤，维梅落系瞧有很大变化，一种新型高层建筑结构体系巨型绐构以其独特魅力获褥迅猛发展。可以看出，高层建筑结构的发展史就是建筑高度和结构抗侧力体系的发展史。高层建筑结构的抗侧力体系主要有：框架结构；剪力墙结构；框架一剪力墙结构； 框筒结构；篱中筒结构；审臀结掏；悬挂结构；巨型结构等。焚平面示意如图一爱示“。嗲这些缝毒毒箨系最大魏逶宣嘉凄在工程实浅与分辑判攀懿蕊疆上麦 研究和概攒”如图一所示。圈目器圜回圈舀框絮鳍摊 剪，结糯揠剪精棒恬筒结孛荜 圈。艚申筒结挎束倚嬉拇巨罄靖鼙高层建筑结构体祭平面示意，

9、麂慝总腰敷钢筋混凝士结构南京工业大学硕士学位论文庸嚣謦黧镪结梅 謦结构体系的逶宜离度 从上凰可以看出，随着建筑物高度增加，其抗测力体系从平面抗测力结构发展为具有窆霹俸爝麴蕊铡力落系。与之稳疲戆是，建筑缝秘力学迄鑫一维鑫勺平瓣缝构理论，发 震为二维或三维孵立体结构瑾论和空闽结构理论。窑闻结掏理论盼发鼹以及具有空闻作 用的抗侧力体系的应用，进一步降低了高层建筑的造价。换句话说，在同样的经济指标 下采用具有警间作用的抗侧力结构体系的高层建筑可以建得更高。 目前世界各国舒在酝酿突破的高度。如日本构想的超高层，层，圆锥形巨型耩絮簿髂；空中大都会，篡，重型框桨：美藿芝搬器羧建懿 ，屡，框絮篱落缭襁。巨型结

10、褥健 这些设想袋得实现成为可能，充分表明巨型结构将成为未来超高层超级建筑的主要结构 形式。高膝建筑兴起的原因和发展趋势赢震建筑在毽要吾遗获褥遗猿豹发震熬器医主袋怒。】： （）大王韭的兴起促使久强国城市集中，造袋城常蔫逸醪趋紧张、避价高涨，为 了在有限的场地创造更多的居住面积，建筑遂向高空发展，由多层发展为商层：从城市建设的角魔褥，建筑物向高空发展，以竖向交通代餐水平交通，可以减小城市规模，节约市政建设费用； ）现代建筑思潮的倡母为蠢屡建筑的发展摄供了理论基礁； （）多释轻震高强建筑秘褥戆窭臻，毫速龟繇、空潺、跨炎、蠢控簿建簸鼹务设 旋的完善、溅工技术和视械的现代化、新型高效结车句体系的发展，都

11、为离层建筑的飞速 发展提供了物质条件；第一章绪论（）高层建筑突出个性的建筑外观，往往成为城市标志，或作为业主显示自身实力的象征。多年来，世界上较高的高层建筑主要集中在美国和加拿大，而世纪年代以来， 环西太平洋沿岸的国家和地区成为目前世界经济发展最快的地区之一，必将取代北美洲 成为世界第二高层建筑中心。我国超高层建筑的发展也是比较迅速的，不仅数量迅速增加，而且层数和高度都有新的突破【。由于我国大城市人口密度比发达国家高倍，人均建设用地却只有发达国家大城市的，人口集中及建设用地紧张的状况将长 期存在，城市建筑高层化的趋势也仍将持续。高层建筑继续向更高的高度发展，结构承担的荷载和倾覆力矩越来越大。在

12、保证高层建筑安全可靠的情况下，为了进步节约材料和降低造价，结构形式在不断更新，设计理念也在不断发展。高层建筑结构有以下发展趋势】： （）构件立体化 由线性构件和平面构件组成的空间立体构件具有抵抗各个方向水平荷载的能力和很 好的空间协同工作能力。如筒体结构和巨型桁架结构。 （）巨柱周边化高层建筑结构因其高度很高而受到很大的水平力和倾覆力矩，抗推构件从结构中心 布置、分散布置转向周边布置、集中布置，以提供更大的抗倾覆力矩和抗扭力矩。如香港中国银行大厦在周边布置四根巨大的型钢劲性混凝土柱，承担全部的竖向苟载和水平荷载。（）结构支撑化 框筒结构的剪力滞后效应削弱了它的抗推刚度和水平承载力，通过在其表面

13、增设大型支撑，形成大型支撑框筒体系，可显著削弱框筒结构的剪力滞后效应：若将抗倾覆构件集中于四角，并和大型支撑构成一个立体支撑体系，还可大大增加结构的抗推刚度。 （）体型圆锥化圆形平面风荷载体形系数较小；锥形体型上部缩小，可减小上部风荷载和地震作用，从而缓和超高层建筑的倾覆问题；倾斜外柱轴向力水平分量可抵消部分水平荷载。如日本拟建的 ，系圆锥形巨型桁架筒体。 （）材料高强轻量化 高强混凝土和高强钢材的应用及轻质隔墙、轻质外墙板和轻质混凝土的推广使高层 建筑的高度不断增加。本文的课题来源和主要工作随着近年来高层建筑的蓬勃发展，建造更高的高层建筑需要更为先进的结构体系来 实现，巨型结构体系恰好可以承

14、担这一使命。本文提出的巨型桁架悬挂钢结构因其经济性和高效性更适合建造高层建筑。惫京工业大学硕士学位论定。课题来源本课题怒江苏省社会发展赘愈颂譬悬挂建筑缭构技术及其应用研究（项爵编号： ）中的一部分内容。主器工作 。分轿了醒蠹努蹇震建筑结搦熬黪式，提赛嚣蕤辫梨基挂镶绪褥鹣赣型结穆髂系； 针对匿蘩桁架悬挂键终稳，建立台瑾靛空阊努褥模型，采蘑青隈元数馕分褥方法，研究了其静、动力特性，并与贰激框架悬挂结构静、动力特性进行了对比研究，证明了 巨型桁架悬摅结构所具有的优越性； 通过输入水平地震波，研究了水平地震作用下蹙裂主结构及悬挂横屡的响应规律， 嚣嚣对魄磺絮子搂层不采露懋接方式懿亘型稔絮缝翰酌建震鸡瘟

15、擐箨，谣鞠了基型戆 絮悬攘镪结祷戆有效鹃控裁毯震蛹藏； 研究了空闯开洞造成悬甬磺爨竖向分布不飙刚疑平面不规则对昏懋椅絮悬挂钢结 构动力特性殿抗震性能的影响飙律，在巨型桁架悬撼钢结构体系布置方褥得出一些有益的结论；对今慧工终搀窦一些建议。第二章巨型桁架悬挂钢结构新体导第二章巨型桁架悬挂钢结构新体系巨型结构的应用发展状况弛“。巨型结构的产生与发展巨型结构的概念产生于年代末。年建成的芝加哥层的约翰汉考克（ ）大厦是最早采用巨型桁架简体的建筑。建于年匹兹堡的美国钢铁大厦是 最早采用巨型框架和巨型桁架核心筒共同工作的建筑。总层数为层，高度达， 用钢量为。年兴建的美国明尼苏达州联邦储备银行大厦是层的巨型

16、悬挂结构。 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楼采用巨型悬挂结构。著名的香港中国银行大厦，建于年，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，地上层，高，采用 了由巨型构件组成的巨型结构体系，大楼的中部开设一个透空大洞，见图一。相继建 成的日本的神户大厦、千叶县大楼、东京市政厅大厦，都采用了钢结构巨型框 架结构。办公大楼地面以上层，高，其结构的独特之处在于其满足了从底 层到层设置内部大庭园的建筑要求，而且从层到层还设置一横穿房屋的大开 口，见图。 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、苏州八面风 商厦等。图台湾高雄

17、大厦 图 大楼的结构纵剖面 南京工业大学硕士学位论吏。嚣鍪缝搦戆特点 目前解决檄界超高层建筑抗风鞘抗震问题的方法怒尽量利用平行于风或地震力的整 个建筑的平酾尺寸来组成抗侧力体系，巨型结构恰巧符合这些要求。随营城市建设的迅 速发展，超高艨建筑的功能趋予多样化和综合化，巨趔结构体系的特殊肚以及它与其它 常媲结捣组合的灵活性麓够满足疆邋应理饩讫建筑不激发震的薪需要，具有如下优势： （）续稳懿整嚣嚣爱大大撬褰。鑫于矩彩裁嚣懿戳嚣瑙廑中，可翘截 面刚度与截谣离度的三次方成歪比，而巨型结梅的主结构梅件截面高度比常规构件截面 高度大许多，因此其刚度必然比游通结构的刚度大得多，结构抗侧能力也大大提高；（）巨型

18、结构是一种大体系，可以在不规则的邂筑中采取适当的结构单元组成规则的结构形式，有利于抗震： （羹黧缝麴霉终多器结棱澎式及不嚣辩秘遴嚣缝合。由于巨受绥构体系是由主 结构帮次臻搦共同工作，主、次缭拘可采用不周的褪辩秘体系，露此重黧结构髂系可；三有各种不同的变化和组合；（）在臻筑使用方面，巨烈缩构可以提供灵活的使用空间。巨型结构的次结构不 是主要承重缩构，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 空闻、开漱中纛、游泳池等特殊要求；（）蠢激结梅体系在蘧工时，哥先麓工箕“主编鞠”，待萁完成蜃，胃分开足个工 作面同时施工“次结构”，大大加快了施工进度；（）尉测结构体系有更大的稳定性和更高

19、的教能，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，使建筑物更加经济实用。 。巨型缭擒体系的结梅形式巨型结擒怒一静薪型结构体系，楚由不霹予透鬻鬃柱褫念的大垂榜俘一巨型粱帮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种结构体系。主结构 本身可以是独立结构，其中巨型枝的尺寸常常超过个普通框架的柱距，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：在钢骨混凝土巨型结构中，体 现为一个巨大黝实羧钢嚣混凝土童：在钢结构巨型缀孛句中，体现为一个空湖礴掏式桁絮。 巨鍪粱盘离凌怒遭一凄楚平嚣或窝阉禧穆式穆絮擒戚，一般每疆菪于瑟孝浚一道。巨型 结构的主结率母为主要抗侧力体系，次结构只承担竖晦葡载，并将力传给耋结构。由此可见，巨型络构怒一种超常规的鼠有巨大抗侧刚度及熬体工作性能的大型结构体系。巨型结构按建筑材料分类，有巨型钢