巨型结构抗震性能研究综述

(广州大学　广东　广州　510006)

巨型结构是一种为适应超高层建筑发展而出现的新型结构体系。这种结构体系由主、次两级结构组成，打破了传统的以单独楼层作为基本结构单元的格局，有着其独特的优势。巨型框架结构是巨型结构体系中一种经济有效的结构体系，由作为主结构的巨型框架和作为次结构的楼层框架组成。它不仅能够满足建筑多功能的要求，而且具有传力明确，整体性好，施工速度快，节省材料，工程造价低，多种结构形式和材料组合等优点，是未来高层及超高层建筑结构体系发展和应用的主要方向之一。

一、巨型结构试验研究现状

为了研究巨型结构的抗震性能，最初国内许多学者借助实际工程对巨型结构进行实验验证。何国松、程晓辉等人对住宅型巨型结构的节点进行拟静力试验，研究其受力性能。惠卓对一榀大尺寸钢筋混凝土框架结构模型进行低周反复荷载试验。方鄂华以广州天王中心大厦为原型，完成了1:25微粒混凝土模型的振动台试验研究，验证了其抗震性能。张宇峰等人结合对采用巨型框架结构体系的南京多媒体通讯大楼1:25微粒混凝土模型的模拟地震振动台试验的分析和探讨，着重研究了巨型框架结构的动力特性、弹性和弹塑性地震反应及结构的破坏形式。张耀春通过两端简支巨型钢柱在双向水平往复荷载下的伪静力试验,研究了其空间滞回特性和模拟方法。通过以上试验可知巨型框架结构具有较好的抗震性能。

二、巨型结构理论分析研究现状

周晓峰分析了巨型钢框架的静力性能,深入研究了结构在竖向荷载和水平荷载下传力机理、力学特性和变形特点；用反应谱法和时程分析法深入分析巨型钢框架的抗震性能。

严平对实腹式和空腹式巨型框架进行动力弹塑性分析和弹塑性时程分析。计算结果表明：空腹式巨型框架结构相比较于实腹式巨型框架结构在抗震性能方面具有良好的抗侧移能力，但是空腹式柱在罕遇地震作用下其节点相对薄弱；巨型柱采用空腹式结构相比较于巨型梁采用实腹式能更有效提高巨型框架结构的抗侧移能力。

叶志龙通过模型振动台试验研究和有限元数值计算分析，对巨型框架结构的抗震性能问题进行了深入研究。研究结果表明：模型结构位移反应沿楼层分布受上下两个钢桁架层影响较大，钢桁架层处位移有显著减小趋势，起到了加强层的作用；竖向地震动对结构反应影响明显；巨型框架梁、柱线刚度比对结构受力有显著影响；桁架弦杆截面尺寸对结构刚度影响明显，而腹杆影响相对较弱。

王廷彦在结合巨型桁架体系和巨型框架体系的优点提出了巨型框架-支撑结构体系，并对其静力性能，动力特性和地震反应进行了分析研究。研究结果表明：巨型框架-支撑结构的静力性能优于巨型框架结构，并具有良好的动力特性；巨型框架-耗能支撑结构不但可以减少原巨型框架-支撑结构的层间位移，还可以减少其底部剪力和顶层加速度反应的峰值。

杨航利用有限元软件,对巨型型钢混凝土框架核心筒结构进行了模态分析、风荷载和反应谱下的内力和变形分析、多遇地震弹性时程分析以及罕遇地震弹塑性时程分析、分析,研究了结构的静力性能以及抗震性能，计算结果表明，多遇地震弹性时程分析结果与反应谱结果具有一致性,即刚度较弱的结构或同一个结构中刚度较弱的方向所承受的地震力较小,侧移较大,核心筒底部所占剪力比率明显大于框架所占比率,加强层处会出现明显的内力突变；结构总体呈现“连梁→墙肢(和支撑)→框架梁→框架柱”的屈服机制,符合多道抗震防线的概念设计。其中核心筒和框架还可以分别形成更细致的“连梁→墙肢”以及“(支撑→)框架梁→框架柱”的内部多道抗震防线,使结构在地震下的可靠度得到进一步提高。

三、巨型结构工程实例介绍

香港中国银行大厦在房屋的四角设置了边长为4米的巨大钢筋混凝土柱，每一大型交叉的钢支撑跨越了12层楼高，每隔13层沿房屋的四周及内部设置整层高的钢加劲桁架。全楼做成竖向桁架形式，分成四段，最下面一段是正方体，向上依次削减，呈多棱体和三棱体，全部风力都传递到下面的四根巨大的钢筋混凝土角柱上，如图1所示。

图1　香港中银大厦

四、总结

通过以上对巨型结构的试验和理论研究发现，巨型结构主次结构明确,具有明确的计算简图和合理的地震作用传递途径，结构受力性能合理，结构竖向刚度分布均匀,不存在结构薄弱层，地震作用下，结构损伤出现在巨型层附近以及巨型柱底部，抗震性能良好。并且在实际中也有较多应用。