對巨型框架懸掛結(jié)構(gòu)的抗震性能的初步研究

蒲 爽 張 麗 曹 輝 雷 陽

（重慶大學(xué)土木工程學(xué)院，重慶 400045）

1、概述

巨型結(jié)構(gòu)是指在一幢建筑中，由數(shù)個大型結(jié)構(gòu)單元所組成的主結(jié)構(gòu)與常規(guī)結(jié)構(gòu)構(gòu)件組成的子結(jié)構(gòu)共同組成建筑的結(jié)構(gòu)體系。大型結(jié)構(gòu)單元通常由不同于通常梁柱概念的大型構(gòu)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(gòu)成的鋼筋混凝土井筒，而在巨型鋼結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)中，通常為一個空間格構(gòu)巨型梁構(gòu)件的截面尺寸通?？蛇_(dá)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(shè)置一道巨型梁。其傳統(tǒng)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(jié)構(gòu)振動控制思想

傳統(tǒng)抗震理論和方法都是建立在提高結(jié)構(gòu)和構(gòu)件的抗震強度和變形能力的基礎(chǔ)上的。傳統(tǒng)的抗震設(shè)計方法一方面要利用結(jié)構(gòu)的塑性變形能力或延性來減小地震作用，又要使結(jié)構(gòu)不發(fā)生嚴(yán)重的損傷，這其實是一種對相互矛盾的目標(biāo)的妥協(xié)，為了達(dá)到既經(jīng)濟(jì)又可靠的抗震要求同時盡可能小的引起結(jié)構(gòu)的損傷，國內(nèi)外學(xué)者將振動控制理論引入到現(xiàn)代結(jié)構(gòu)工程中，使結(jié)構(gòu)設(shè)計由抗震設(shè)計進(jìn)入到減震設(shè)計，進(jìn)入到結(jié)構(gòu)振動控制階段。

結(jié)構(gòu)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(tǒng)不需要外部能量，通過對結(jié)構(gòu)運動的反應(yīng)產(chǎn)生力，并對結(jié)構(gòu)施加控制力。主動控制需要輸入外部能量，通過驅(qū)動器給結(jié)構(gòu)提供一定的控制力，控制力即可能是給結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)振動控制方法，主次結(jié)構(gòu)控制體系可以認(rèn)為是巨型框架懸掛減震體系的結(jié)構(gòu)振動控制思想的基礎(chǔ)，它不是單純的將結(jié)構(gòu)振動控制方法強加于結(jié)構(gòu)上。它的本質(zhì)雖然還是被動控制，但是因為它從結(jié)構(gòu)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(xiàn)代結(jié)構(gòu)振動控制的結(jié)構(gòu)體系。

3、巨型框架懸掛減震體系的動力學(xué)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(lián)重力擺進(jìn)行計算分析，由于重力擺串聯(lián)質(zhì)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(tǒng)的質(zhì)量和剛度矩陣，這些研究為懸掛結(jié)構(gòu)體系的動力學(xué)分析提供了一些初步的方法和結(jié)論。近些年隨著有限元分析在結(jié)構(gòu)模擬分析和計算中越來越廣泛的應(yīng)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(jié)構(gòu)體系進(jìn)行了分析，并總結(jié)了該體系的一些特性，這些工作為這種新型結(jié)構(gòu)體系的工程應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。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(xué)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(jié)構(gòu)體系進(jìn)行計算分析后可知巨型框架懸掛結(jié)構(gòu)的振動特性是：（1）巨型框架的側(cè)移剛度遠(yuǎn)比懸掛樓層的側(cè)移剛度大，系統(tǒng)的振動可分為兩種，一為巨型框架基本不動 (相應(yīng)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(yīng)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(fù)雜，含有較多的頻率成分，而懸掛樓層呈現(xiàn)比較單調(diào)的擺動，當(dāng)懸掛結(jié)構(gòu)的質(zhì)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(jié)構(gòu)體系呈現(xiàn)的是以懸掛結(jié)構(gòu)的頻率為基頻的振動，即這一情況下的懸掛結(jié)構(gòu)對巨型結(jié)構(gòu)有驅(qū)動作用。懸掛樓層的位移反應(yīng)遠(yuǎn)大于巨型框架的位移反應(yīng)，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(jié)構(gòu)形式、振動控制方法和思想以及動力學(xué)模型和振動特性的現(xiàn)有的研究總結(jié)可知巨型框架懸吊結(jié)構(gòu)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(xì)，并兩端采用鉸接，使懸掛結(jié)構(gòu)的層間剛度可以很小，降低結(jié)構(gòu)的自振頻率以達(dá)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(qū)動力?？刂茟覓斓臉菍訑?shù)，使懸掛質(zhì)量不至過大，控制懸掛結(jié)構(gòu)與巨型框架結(jié)構(gòu)能調(diào)諧，盡量避免懸掛結(jié)構(gòu)與外力（地震力）調(diào)諧對巨型框架產(chǎn)生的較大驅(qū)動作用。

5.3.利用異步驅(qū)動原理。在采用巨型框架懸掛體系進(jìn)行抗震時，應(yīng)充分利用異步驅(qū)動原理，減少結(jié)構(gòu)反應(yīng)以及結(jié)構(gòu)反應(yīng)對激勵頻率的敏感度，同時使得各懸吊子結(jié)構(gòu)的反應(yīng)分布均勻，而不會象傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)那樣越靠結(jié)構(gòu)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(xiàn)懸掛樓層位移過大和懸掛樓層對主結(jié)構(gòu)有很大的驅(qū)動作用的缺點，在懸掛樓層板與巨型結(jié)構(gòu)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(qū)動作用，達(dá)到減震目的。

6 巨型框架懸掛體系的設(shè)計方法

巨型框架懸掛體系要達(dá)到好的減震效果，最重要的是確立懸吊結(jié)構(gòu)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(shù)。以此為基本原則，提出了初步設(shè)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(qū)動力峰值減小了，從而導(dǎo)致異步驅(qū)動原理對巨型框架的減振效果變得不明顯，因此，根據(jù)是否使用阻尼控制，初步設(shè)計方法又分為以下兩種設(shè)計方法：

6.1 基于異歩原理的設(shè)計方法

設(shè)計步驟為：（1）按豎向荷載設(shè)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(shù)a和b，使得巨型框架的位移反應(yīng)最小。（3）當(dāng)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(shè)計要求，若滿足，設(shè)計結(jié)束;否則，增大巨型框架的結(jié)構(gòu)的尺寸，然后重復(fù)步驟（2）

6.2 帶有阻尼控制的設(shè)計方法

設(shè)計步驟總結(jié)為：（1）按豎向荷載設(shè)計巨型框架和吊桿的截面尺寸。（2）選擇方程 的參數(shù)a，使之盡量小，選擇前式的參數(shù)b，使得各懸吊結(jié)構(gòu)子結(jié)構(gòu)的反應(yīng)均勻。（3）合理取結(jié)構(gòu)的阻尼值c，使巨型框架的位移反應(yīng)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(shè)計要求，若滿足，設(shè)計結(jié)束；否則，增大巨型框架的結(jié)構(gòu)的尺寸，然后重復(fù)步驟（2）

[1]胡聿賢.地震工程學(xué)[M].北京：地震出版社.2006

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[6]梁啟智，張耀華.巨型框架懸掛體系動力及減震性能分析[J].華南理工大學(xué)學(xué)報.1998，26(10):1-6.