巨型結(jié)構(gòu)抗震性能研究綜述

(廣州大學(xué)　廣東　廣州　510006)

巨型結(jié)構(gòu)是一種為適應(yīng)超高層建筑發(fā)展而出現(xiàn)的新型結(jié)構(gòu)體系。這種結(jié)構(gòu)體系由主、次兩級結(jié)構(gòu)組成，打破了傳統(tǒng)的以單獨(dú)樓層作為基本結(jié)構(gòu)單元的格局，有著其獨(dú)特的優(yōu)勢。巨型框架結(jié)構(gòu)是巨型結(jié)構(gòu)體系中一種經(jīng)濟(jì)有效的結(jié)構(gòu)體系，由作為主結(jié)構(gòu)的巨型框架和作為次結(jié)構(gòu)的樓層框架組成。它不僅能夠滿足建筑多功能的要求，而且具有傳力明確，整體性好，施工速度快，節(jié)省材料，工程造價(jià)低，多種結(jié)構(gòu)形式和材料組合等優(yōu)點(diǎn)，是未來高層及超高層建筑結(jié)構(gòu)體系發(fā)展和應(yīng)用的主要方向之一。

一、巨型結(jié)構(gòu)試驗(yàn)研究現(xiàn)狀

為了研究巨型結(jié)構(gòu)的抗震性能，最初國內(nèi)許多學(xué)者借助實(shí)際工程對巨型結(jié)構(gòu)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。何國松、程曉輝等人對住宅型巨型結(jié)構(gòu)的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行擬靜力試驗(yàn)，研究其受力性能?；葑繉σ婚蟪叽玟摻罨炷量蚣芙Y(jié)構(gòu)模型進(jìn)行低周反復(fù)荷載試驗(yàn)。方鄂華以廣州天王中心大廈為原型，完成了1:25微?；炷聊Ｐ偷恼駝?dòng)臺(tái)試驗(yàn)研究，驗(yàn)證了其抗震性能。張宇峰等人結(jié)合對采用巨型框架結(jié)構(gòu)體系的南京多媒體通訊大樓1:25微?；炷聊Ｐ偷哪M地震振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)的分析和探討，著重研究了巨型框架結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性、彈性和彈塑性地震反應(yīng)及結(jié)構(gòu)的破壞形式。張耀春通過兩端簡支巨型鋼柱在雙向水平往復(fù)荷載下的偽靜力試驗(yàn),研究了其空間滯回特性和模擬方法。通過以上試驗(yàn)可知巨型框架結(jié)構(gòu)具有較好的抗震性能。

二、巨型結(jié)構(gòu)理論分析研究現(xiàn)狀

周曉峰分析了巨型鋼框架的靜力性能,深入研究了結(jié)構(gòu)在豎向荷載和水平荷載下傳力機(jī)理、力學(xué)特性和變形特點(diǎn)；用反應(yīng)譜法和時(shí)程分析法深入分析巨型鋼框架的抗震性能。

嚴(yán)平對實(shí)腹式和空腹式巨型框架進(jìn)行動(dòng)力彈塑性分析和彈塑性時(shí)程分析。計(jì)算結(jié)果表明：空腹式巨型框架結(jié)構(gòu)相比較于實(shí)腹式巨型框架結(jié)構(gòu)在抗震性能方面具有良好的抗側(cè)移能力，但是空腹式柱在罕遇地震作用下其節(jié)點(diǎn)相對薄弱；巨型柱采用空腹式結(jié)構(gòu)相比較于巨型梁采用實(shí)腹式能更有效提高巨型框架結(jié)構(gòu)的抗側(cè)移能力。

葉志龍通過模型振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)研究和有限元數(shù)值計(jì)算分析，對巨型框架結(jié)構(gòu)的抗震性能問題進(jìn)行了深入研究。研究結(jié)果表明：模型結(jié)構(gòu)位移反應(yīng)沿樓層分布受上下兩個(gè)鋼桁架層影響較大，鋼桁架層處位移有顯著減小趨勢，起到了加強(qiáng)層的作用；豎向地震動(dòng)對結(jié)構(gòu)反應(yīng)影響明顯；巨型框架梁、柱線剛度比對結(jié)構(gòu)受力有顯著影響；桁架弦桿截面尺寸對結(jié)構(gòu)剛度影響明顯，而腹桿影響相對較弱。

王廷彥在結(jié)合巨型桁架體系和巨型框架體系的優(yōu)點(diǎn)提出了巨型框架-支撐結(jié)構(gòu)體系，并對其靜力性能，動(dòng)力特性和地震反應(yīng)進(jìn)行了分析研究。研究結(jié)果表明：巨型框架-支撐結(jié)構(gòu)的靜力性能優(yōu)于巨型框架結(jié)構(gòu)，并具有良好的動(dòng)力特性；巨型框架-耗能支撐結(jié)構(gòu)不但可以減少原巨型框架-支撐結(jié)構(gòu)的層間位移，還可以減少其底部剪力和頂層加速度反應(yīng)的峰值。

楊航利用有限元軟件,對巨型型鋼混凝土框架核心筒結(jié)構(gòu)進(jìn)行了模態(tài)分析、風(fēng)荷載和反應(yīng)譜下的內(nèi)力和變形分析、多遇地震彈性時(shí)程分析以及罕遇地震彈塑性時(shí)程分析、分析,研究了結(jié)構(gòu)的靜力性能以及抗震性能，計(jì)算結(jié)果表明，多遇地震彈性時(shí)程分析結(jié)果與反應(yīng)譜結(jié)果具有一致性,即剛度較弱的結(jié)構(gòu)或同一個(gè)結(jié)構(gòu)中剛度較弱的方向所承受的地震力較小,側(cè)移較大,核心筒底部所占剪力比率明顯大于框架所占比率,加強(qiáng)層處會(huì)出現(xiàn)明顯的內(nèi)力突變；結(jié)構(gòu)總體呈現(xiàn)“連梁→墻肢(和支撐)→框架梁→框架柱”的屈服機(jī)制,符合多道抗震防線的概念設(shè)計(jì)。其中核心筒和框架還可以分別形成更細(xì)致的“連梁→墻肢”以及“(支撐→)框架梁→框架柱”的內(nèi)部多道抗震防線,使結(jié)構(gòu)在地震下的可靠度得到進(jìn)一步提高。

三、巨型結(jié)構(gòu)工程實(shí)例介紹

香港中國銀行大廈在房屋的四角設(shè)置了邊長為4米的巨大鋼筋混凝土柱，每一大型交叉的鋼支撐跨越了12層樓高，每隔13層沿房屋的四周及內(nèi)部設(shè)置整層高的鋼加勁桁架。全樓做成豎向桁架形式，分成四段，最下面一段是正方體，向上依次削減，呈多棱體和三棱體，全部風(fēng)力都傳遞到下面的四根巨大的鋼筋混凝土角柱上，如圖1所示。

圖1　香港中銀大廈

四、總結(jié)

通過以上對巨型結(jié)構(gòu)的試驗(yàn)和理論研究發(fā)現(xiàn)，巨型結(jié)構(gòu)主次結(jié)構(gòu)明確,具有明確的計(jì)算簡圖和合理的地震作用傳遞途徑，結(jié)構(gòu)受力性能合理，結(jié)構(gòu)豎向剛度分布均勻,不存在結(jié)構(gòu)薄弱層，地震作用下，結(jié)構(gòu)損傷出現(xiàn)在巨型層附近以及巨型柱底部，抗震性能良好。并且在實(shí)際中也有較多應(yīng)用。