淺談懸掛結構的研究現狀

劉富歡

【摘 要】本文介紹了懸掛結構的特點以及懸掛結構在國內外的研究現狀，提出了進一步研究的方向，為懸掛結構在建筑體系的發展及建筑抗震的研究提供借鑒。

【關鍵詞】核筒；懸掛體結構；Lagrange方程；龍格-庫塔方法；地震反應分析

引言

地震是一種自然災害，一旦發生，都會威脅到人類的生命，造成無法估計的經濟損失。中國自古以來就遭遇地震災害，尤其近年來地震頻發，每發生一次強烈地震都會帶來重大損失。這些突如其來的災害給我們帶來的不僅是巨大的傷害，更讓我們深深地反思如何運用工程結構的抗震知識最大限度的減少國家和人民生命財產的損失，懸掛結構就是在人們不斷尋求主動抗震的過程中應運而生的。我國開始研究懸掛結構步伐較國外要晚一些，從20世紀90年代才不斷摸索前進的。通過不斷模擬分析懸掛結構的地震動力反應，驗證了該結構與傳統非懸掛結構相比具有良好的減震效果。

一、懸掛結構的分類及特點

懸掛結構是一種新型的建筑結構形式，該結構主要包括巨型框架結構、核筒懸掛結構和拱式懸掛結構。

懸掛結構與傳統的建筑結構對比可知，有如下優點：

1.在建筑形式上，體型獨特，美觀新穎，富于建筑藝術氣息，同時它可創造更大的使

用空間，滿足人們對建筑結構的各種功能要求，也可以給設計者充分的發揮空間。

2.在結構布置上，懸掛部分通過外伸的轉換層懸掛在結構中部的核筒上。作為主要承重構件的核筒占地面積小，不僅可以提高空間的利用率，還可以改善擁擠的交通，同時還可以減小基礎施工時可能會造成的不均勻沉降。

3.在抗震性能上，核筒懸掛結構獨辟蹊徑，將結構的振動控制理論與結構設計原理完美結合，在結構設計中采用相應的抗震措施以提高建筑的穩定性，可以大大提高結構的安全性能。這種新型的減震結構體系為以后高層及超高層的發展方向提供了新的思路。

4.在材料應用上，該結構能更好的發揮建筑材料的力學性能，從而節省材料降低造價。同時，為新材料的應用提供了可能。

5.在結構施工上，可采用多段懸掛施工方案，可顯著提高施工進度，節約建筑成本。

二、懸掛結構國內外研究概況及其工程應用

國內外對懸掛結構體系的研究方向大致分為以下幾部分：懸掛結構的減震研究；懸掛結構的建模和結構動力反應的分析方法；懸掛結構體系的試驗研究等。

（一）國外懸掛結構研究概況及工程應用

國外建筑師研究懸掛建筑結構步伐比較早，在20世紀二十年代初期FLwright就開始了對樹狀混凝土懸臂結構的研究。隨后在1927年Rash等人就提出了懸掛建筑結構的概念，將懸掛的原理與房屋建筑創新性的結合起來。隨著社會的不斷進步，超高層建筑在國外興起，1938年Williams將懸掛結構形式融入超高層建筑體系，這是懸掛建筑體系的又一大創新和發展。隨著懸掛建筑自身的良好性能及獨特的造型，在20世紀中期開始被世界認可和接受，各國開始相繼建造了一系列的懸掛高層建筑。1976年B.J.Goodnopl建立了懸掛結構動力分析的模型。同年，N.A.Nikolaen又進一步對懸掛結構的地震動力反應進行了分析計算，從而對該結構的抗震性能更加的深入剖析。90年代，MAriaQ.Feng等人通過用巨型子結構完成了對高層懸掛建筑在風及地震等作用下的研究。

在工程應用方面，1970年在南非約翰內斯堡建造的35層的標準銀行可以說是核筒伸臂懸掛結構的典型代表。1972年建成的德國慕尼黑20層的BMW行政大樓該結構用連接梁及樓板將四個開口圓形混凝土小筒核筒連成整體，將其作為主體結構，在其主體結構上由其連接大梁懸掛四個對稱的圓弧形樓段。1973年在美國明尼蘇達州建造的11層的聯邦儲備銀行，結構主體呈橋形，兩條懸鏈各沿一面，由四個角墩和其頂部9.14m高，83.21m跨的桁架支撐組成。

（二）國內懸掛結構研究概況及工程應用

我國與國外相比，對懸掛結構的研究步伐相對慢一些，從20世紀50年代才開始進行，主要方向是核筒懸掛結構和巨型框架懸掛結構的力學性能和抗震性能。在80年代后期，改革開放后我國對懸掛結構的研究進入了穩步發展的階段。

趙艷秋是國內首先研究懸掛建筑的學者，在研究中充分考慮了結構受彎扭情況。張暉等人在核筒懸掛模型中的中央筒體與懸掛的樓板之間設置了耗能裝置，通過研究其結構的地震動力反應，得出了該懸掛結構有良好的減震作用。楊允表等通過計算核筒懸掛結構，驗證了該結構具有明顯的減震效果。周堅，伍孝波等人建立了懸掛結構模型，通過對該結構進行地震動力反應實驗，進一步表明了該結構有顯著的減震效果。羅兆輝等主要從結構的動力特性及核筒自振頻率方面進行的實驗分析，最終得出在頻率很小時，核筒懸掛結構可以大量的吸收地震能，具有明顯的減震效果。夏逸鳴等獨辟蹊徑，從能量方面進行分析，進一步驗證了核筒懸掛結構優良的減震效果。

在工程應用方面，我國在60年代初期興建了一批典型的懸掛式建筑，北京工人體育館和浙江省人民體育館。還有南昌拖拉機齒輪廠齒輪車間，4塊殼板組成的屋頂懸掛在柱頭上，成為當時的一大特色。由于懸掛建筑自身功能的優越性，在三亞市已經建造了具有觀賞價值的懸掛建筑結構，中心筒體與吊桿懸掛相結合，增加了內部空間的使用面積，受到旅游城市的青睞。1986年中國香港匯豐銀行建成，高48層，是懸掛結構的又杰出一代表作。

三、展望

本文主要對懸掛結構的分類及特點，國內外懸掛結構的研究現狀及工程應用進行了總結。懸掛結構形式新穎，造型變化多端，更重要的該結構具有合理的傳力體制，與傳統建筑結構相比，能夠更好的抵抗地震等災害，達到藝術與建筑的完美結合，越來越受到國內外工程界和學術界的格外關注。我國對懸掛體系的研究起步比較晚，因此對懸掛建筑結構的廣泛應用還應展開相關的試驗和理論研究，提出更加可靠的抗震方法，以保證建筑結構的安全性和適用性。

參考文獻：

[1]王芳， 李鳳鑫， 葛楠. 核筒-四個懸掛體結構地震動力反應分析[C]. 全國結構工程學術會議. 2014.

[2]王春林. 高層建筑懸掛結構減振理論及試驗研究[D]. 南京：東南大學土木工程學院，2009.

[3]GAN Hong，YANG YiZhen.Nonlinear dynamic of the damping frame structure system，advanced material research[C].2012 Civil， Structural and Environmental Engineering International Conference.

[4]王春林. 核筒懸掛建筑結構的減震分析及CFRP索結構設計[D]. 南京：東南大學土木工程學院，2005.

[5]王芳. 核筒—三個懸掛體結構減震效果分析計算[D]. 唐山：華北理工大學， 2015.

[6]吳岳. 懸掛系統減震效果分析[D]. 唐山：河北聯合大學， 2014.

[7]吳岳，張雪嬌，姚麗婷，等. 懸掛系統減震效果分析[J]. 河北聯合大學學報：自然科學版，2013，35（4）：80-84.endprint