對巨型框架懸掛結構的抗震性能的初步研究

蒲 爽 張 麗 曹 輝 雷 陽

（重慶大學土木工程學院，重慶 400045）

1、概述

巨型結構是指在一幢建筑中，由數個大型結構單元所組成的主結構與常規結構構件組成的子結構共同組成建筑的結構體系。大型結構單元通常由不同于通常梁柱概念的大型構件-巨型柱和巨型梁組成，其中巨型柱尺寸常超過一個普通框架的柱距，可以是一個由樓梯間或電梯間構成的鋼筋混凝土井筒，而在巨型鋼結構結構中，通常為一個空間格構巨型梁構件的截面尺寸通常可達一至二個樓層的高度，沿建筑的高度方向通常每隔多層才設置一道巨型梁。其傳統體系形式主要有三種：桁架型、斜格型、框筒型。

2、巨型框架懸掛減震體系的結構振動控制思想

傳統抗震理論和方法都是建立在提高結構和構件的抗震強度和變形能力的基礎上的。傳統的抗震設計方法一方面要利用結構的塑性變形能力或延性來減小地震作用，又要使結構不發生嚴重的損傷，這其實是一種對相互矛盾的目標的妥協，為了達到既經濟又可靠的抗震要求同時盡可能小的引起結構的損傷，國內外學者將振動控制理論引入到現代結構工程中，使結構設計由抗震設計進入到減震設計，進入到結構振動控制階段。

結構控制

可分為：被動控制、主動控制、半主動控制和混合控制。其中主要的是被動控制和主動控制。被動控制系統不需要外部能量，通過對結構運動的反應產生力，并對結構施加控制力。主動控制需要輸入外部能量，通過驅動器給結構提供一定的控制力，控制力即可能是給結構提供能量，也可能是消耗能量。懸掛減震體系是一種適用于巨型結構的結構振動控制方法，主次結構控制體系可以認為是巨型框架懸掛減震體系的結構振動控制思想的基礎，它不是單純的將結構振動控制方法強加于結構上。它的本質雖然還是被動控制，但是因為它從結構的方面考慮了振動控制的實施可能性，所以是一種適用于現代結構振動控制的結構體系。

3、巨型框架懸掛減震體系的動力學模型

在對巨型框架懸掛體系的早期的研究中，主要是將懸掛的樓板簡化為串聯重力擺進行計算分析，由于重力擺串聯質量之間的耦合剛度很容易求出，用一般的振動理論方法即可組裝系統的質量和剛度矩陣，這些研究為懸掛結構體系的動力學分析提供了一些初步的方法和結論。近些年隨著有限元分析在結構模擬分析和計算中越來越廣泛的應用，開始采用高精度四邊形空間變形模式殼單元利用有限元法直接對巨型框架懸掛結構體系進行了分析，并總結了該體系的一些特性，這些工作為這種新型結構體系的工程應用奠定了基礎。另外梁啟智、張耀華等提出一種考慮巨型框架各樓層層間剪切剛度和各懸掛樓層間層間剪切剛度的動力學模型。

4、巨型框架懸掛體系的振動特性

在對巨型框架懸掛結構體系進行計算分析后可知巨型框架懸掛結構的振動特性是：（1）巨型框架的側移剛度遠比懸掛樓層的側移剛度大，系統的振動可分為兩種，一為巨型框架基本不動 (相應各巨型框架的振型分量約為零）的懸掛體系的自由振動，二為懸掛樓層不動(相應各懸掛樓層振型分量約為零）的巨型框架的自由振動。（2）巨型框架的運動較復雜，含有較多的頻率成分，而懸掛樓層呈現比較單調的擺動，當懸掛結構的質量過大時，巨型框架樓層和它所懸掛的懸掛樓層的運動趨勢相似，特別在地震后期，兩者運動波形很相似，這說明整個結構體系呈現的是以懸掛結構的頻率為基頻的振動，即這一情況下的懸掛結構對巨型結構有驅動作用。懸掛樓層的位移反應遠大于巨型框架的位移反應，在它們之間總是有很大的相對位移。

5、巨型框架懸掛體系的抗震原理

從以上對巨型框架懸掛體系的結構形式、振動控制方法和思想以及動力學模型和振動特性的現有的研究總結可知巨型框架懸吊結構體系的抗震原理有四點:

5.1.避開地震卓越周期。采用吊桿代替柱，充分利用鋼材性能，將吊桿做得十分纖細，并兩端采用鉸接，使懸掛結構的層間剛度可以很小，降低結構的自振頻率以達到避開地震卓越周期的目的，降低受地震作用影響的可能。

5.2.減少懸掛體系傳給巨型框架的驅動力。控制懸掛的樓層數，使懸掛質量不至過大，控制懸掛結構與巨型框架結構能調諧，盡量避免懸掛結構與外力（地震力）調諧對巨型框架產生的較大驅動作用。

5.3.利用異步驅動原理。在采用巨型框架懸掛體系進行抗震時，應充分利用異步驅動原理，減少結構反應以及結構反應對激勵頻率的敏感度，同時使得各懸吊子結構的反應分布均勻，而不會象傳統結構那樣越靠結構頂部越大。

5.4.利用阻尼控制方法。巨型框架懸掛體系雖然有很好的減震特性，但會出現懸掛樓層位移過大和懸掛樓層對主結構有很大的驅動作用的缺點，在懸掛樓層板與巨型結構的接觸面安裝阻尼器，增加阻尼控制可有效地抑制懸掛樓板的運動，從而也減少了懸掛樓板對巨型框架的驅動作用，達到減震目的。

6 巨型框架懸掛體系的設計方法

巨型框架懸掛體系要達到好的減震效果，最重要的是確立懸吊結構體系和巨型框架的剛度比及分布方法，以及確定阻尼控制中的阻尼系數。以此為基本原則，提出了初步設計方法，而因為在巨型框架懸掛體系中使用阻尼控制以后，驅動力峰值減小了，從而導致異步驅動原理對巨型框架的減振效果變得不明顯，因此，根據是否使用阻尼控制，初步設計方法又分為以下兩種設計方法：

6.1 基于異歩原理的設計方法

設計步驟為：（1）按豎向荷載設計巨型框架和吊桿的截面尺寸。（2）選擇第i層巨型框架層的懸掛體系的吊桿直徑 計算方程中的參數a和b，使得巨型框架的位移反應最小。（3）當懸掛體系不滿足舒適可靠度的要求時，增大a值，直到能滿足懸掛體系的舒適可靠度為止。（4）驗算巨型框架的抗震設計要求，若滿足，設計結束;否則，增大巨型框架的結構的尺寸，然后重復步驟（2）

6.2 帶有阻尼控制的設計方法

設計步驟總結為：（1）按豎向荷載設計巨型框架和吊桿的截面尺寸。（2）選擇方程 的參數a，使之盡量小，選擇前式的參數b，使得各懸吊結構子結構的反應均勻。（3）合理取結構的阻尼值c，使巨型框架的位移反應最小，同時c值取值不能太大。（4）驗算懸掛體系是否滿足舒適可靠度，若不滿足要求時，增大a值，直到能滿足懸掛體系的舒適可靠度為止。（5）.驗算巨型框架的抗震設計要求，若滿足，設計結束；否則，增大巨型框架的結構的尺寸，然后重復步驟（2）

[1]胡聿賢.地震工程學[M].北京：地震出版社.2006

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