对巨型框架悬挂结构的抗震性能的初步研究

蒲 爽 张 丽 曹 辉 雷 阳

（重庆大学土木工程学院，重庆 400045）

1、概述

巨型结构是指在一幢建筑中，由数个大型结构单元所组成的主结构与常规结构构件组成的子结构共同组成建筑的结构体系。大型结构单元通常由不同于通常梁柱概念的大型构件-巨型柱和巨型梁组成，其中巨型柱尺寸常超过一个普通框架的柱距，可以是一个由楼梯间或电梯间构成的钢筋混凝土井筒，而在巨型钢结构结构中，通常为一个空间格构巨型梁构件的截面尺寸通常可达一至二个楼层的高度，沿建筑的高度方向通常每隔多层才设置一道巨型梁。其传统体系形式主要有三种：桁架型、斜格型、框筒型。

2、巨型框架悬挂减震体系的结构振动控制思想

传统抗震理论和方法都是建立在提高结构和构件的抗震强度和变形能力的基础上的。传统的抗震设计方法一方面要利用结构的塑性变形能力或延性来减小地震作用，又要使结构不发生严重的损伤，这其实是一种对相互矛盾的目标的妥协，为了达到既经济又可靠的抗震要求同时尽可能小的引起结构的损伤，国内外学者将振动控制理论引入到现代结构工程中，使结构设计由抗震设计进入到减震设计，进入到结构振动控制阶段。

结构控制

可分为：被动控制、主动控制、半主动控制和混合控制。其中主要的是被动控制和主动控制。被动控制系统不需要外部能量，通过对结构运动的反应产生力，并对结构施加控制力。主动控制需要输入外部能量，通过驱动器给结构提供一定的控制力，控制力即可能是给结构提供能量，也可能是消耗能量。悬挂减震体系是一种适用于巨型结构的结构振动控制方法，主次结构控制体系可以认为是巨型框架悬挂减震体系的结构振动控制思想的基础，它不是单纯的将结构振动控制方法强加于结构上。它的本质虽然还是被动控制，但是因为它从结构的方面考虑了振动控制的实施可能性，所以是一种适用于现代结构振动控制的结构体系。

3、巨型框架悬挂减震体系的动力学模型

在对巨型框架悬挂体系的早期的研究中，主要是将悬挂的楼板简化为串联重力摆进行计算分析，由于重力摆串联质量之间的耦合刚度很容易求出，用一般的振动理论方法即可组装系统的质量和刚度矩阵，这些研究为悬挂结构体系的动力学分析提供了一些初步的方法和结论。近些年随着有限元分析在结构模拟分析和计算中越来越广泛的应用，开始采用高精度四边形空间变形模式壳单元利用有限元法直接对巨型框架悬挂结构体系进行了分析，并总结了该体系的一些特性，这些工作为这种新型结构体系的工程应用奠定了基础。另外梁启智、张耀华等提出一种考虑巨型框架各楼层层间剪切刚度和各悬挂楼层间层间剪切刚度的动力学模型。

4、巨型框架悬挂体系的振动特性

在对巨型框架悬挂结构体系进行计算分析后可知巨型框架悬挂结构的振动特性是：（1）巨型框架的侧移刚度远比悬挂楼层的侧移刚度大，系统的振动可分为两种，一为巨型框架基本不动 (相应各巨型框架的振型分量约为零）的悬挂体系的自由振动，二为悬挂楼层不动(相应各悬挂楼层振型分量约为零）的巨型框架的自由振动。（2）巨型框架的运动较复杂，含有较多的频率成分，而悬挂楼层呈现比较单调的摆动，当悬挂结构的质量过大时，巨型框架楼层和它所悬挂的悬挂楼层的运动趋势相似，特别在地震后期，两者运动波形很相似，这说明整个结构体系呈现的是以悬挂结构的频率为基频的振动，即这一情况下的悬挂结构对巨型结构有驱动作用。悬挂楼层的位移反应远大于巨型框架的位移反应，在它们之间总是有很大的相对位移。

5、巨型框架悬挂体系的抗震原理

从以上对巨型框架悬挂体系的结构形式、振动控制方法和思想以及动力学模型和振动特性的现有的研究总结可知巨型框架悬吊结构体系的抗震原理有四点:

5.1.避开地震卓越周期。采用吊杆代替柱，充分利用钢材性能，将吊杆做得十分纤细，并两端采用铰接，使悬挂结构的层间刚度可以很小，降低结构的自振频率以达到避开地震卓越周期的目的，降低受地震作用影响的可能。

5.2.减少悬挂体系传给巨型框架的驱动力。控制悬挂的楼层数，使悬挂质量不至过大，控制悬挂结构与巨型框架结构能调谐，尽量避免悬挂结构与外力（地震力）调谐对巨型框架产生的较大驱动作用。

5.3.利用异步驱动原理。在采用巨型框架悬挂体系进行抗震时，应充分利用异步驱动原理，减少结构反应以及结构反应对激励频率的敏感度，同时使得各悬吊子结构的反应分布均匀，而不会象传统结构那样越靠结构顶部越大。

5.4.利用阻尼控制方法。巨型框架悬挂体系虽然有很好的减震特性，但会出现悬挂楼层位移过大和悬挂楼层对主结构有很大的驱动作用的缺点，在悬挂楼层板与巨型结构的接触面安装阻尼器，增加阻尼控制可有效地抑制悬挂楼板的运动，从而也减少了悬挂楼板对巨型框架的驱动作用，达到减震目的。

6 巨型框架悬挂体系的设计方法

巨型框架悬挂体系要达到好的减震效果，最重要的是确立悬吊结构体系和巨型框架的刚度比及分布方法，以及确定阻尼控制中的阻尼系数。以此为基本原则，提出了初步设计方法，而因为在巨型框架悬挂体系中使用阻尼控制以后，驱动力峰值减小了，从而导致异步驱动原理对巨型框架的减振效果变得不明显，因此，根据是否使用阻尼控制，初步设计方法又分为以下两种设计方法：

6.1 基于异歩原理的设计方法

设计步骤为：（1）按竖向荷载设计巨型框架和吊杆的截面尺寸。（2）选择第i层巨型框架层的悬挂体系的吊杆直径 计算方程中的参数a和b，使得巨型框架的位移反应最小。（3）当悬挂体系不满足舒适可靠度的要求时，增大a值，直到能满足悬挂体系的舒适可靠度为止。（4）验算巨型框架的抗震设计要求，若满足，设计结束;否则，增大巨型框架的结构的尺寸，然后重复步骤（2）

6.2 带有阻尼控制的设计方法

设计步骤总结为：（1）按竖向荷载设计巨型框架和吊杆的截面尺寸。（2）选择方程 的参数a，使之尽量小，选择前式的参数b，使得各悬吊结构子结构的反应均匀。（3）合理取结构的阻尼值c，使巨型框架的位移反应最小，同时c值取值不能太大。（4）验算悬挂体系是否满足舒适可靠度，若不满足要求时，增大a值，直到能满足悬挂体系的舒适可靠度为止。（5）.验算巨型框架的抗震设计要求，若满足，设计结束；否则，增大巨型框架的结构的尺寸，然后重复步骤（2）

[1]胡聿贤.地震工程学[M].北京：地震出版社.2006

[2]《地震工程概论》编写组.地震工程概论[M].科学出版社.1977：334-351

[3]丁翔，陆卫明.巨型结构悬挂楼层体系减震分析[J].工程建设与设计.1998，(4):18-20.

[4]梁启智，张耀华.巨型框架悬挂体系地震反应特性及阻尼控制研究[J].华南理工大学学报.1999，27(1):106-110.

[5]王肇民，邓洪洲，董 军.高层巨型框架悬挂结构体系抗震性能研究 [J].建筑结构学报.1999，20(1):23-30

[6]梁启智，张耀华.巨型框架悬挂体系动力及减震性能分析[J].华南理工大学学报.1998，26(10):1-6.