河北联合大学硕士研究生学术报告题目悬挂系统减震效果分析
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2013 年9 月10 日
河北联合大学硕士研究生学术报告
1.悬挂结构的研究背景
悬挂建筑是伴随人类需求而产生的，它代表了人类社会在一定时期内的生产力发展水平和经济实力。悬挂建筑种类繁多、形态各异、内涵丰富。但由于结构理论研究不成熟和材料技术发展的缓慢，迄今为止，国内外对悬挂建筑各种类型的研究和应用相对较少，对悬挂结构与建筑的有机结合更属陌生[1]。
悬挂建筑是应用悬挂结构原理的建筑形态类别，是悬挂结构力学性能、悬挂结构形态和建筑学三个方面的统一。悬挂建筑既创造了一种企图克服重力的建筑视觉形态“悬挂”，又通过悬挂的方式实现了建筑自身的存在状态。可以说，悬挂建筑是通过悬挂表现“悬挂”的，是结构与建筑有机结合的一个切入点。
悬挂结构早期多用于大跨度、大空间的单层建筑结构中，如展览馆、悬索桥等。1938年Williams提出了用悬挂方式建筑超高层结构的想法，并拟采用巨型框架悬挂楼层。20世纪60年代末，由于计算机的应用、结构设计理论的进步以及高强材料和先进设备技术的采用为建筑师创造了更丰富的想象空间，同时也为新颖的超高层建筑结构体系的出现创造了条件。已建成的较为著名的悬挂建筑有1985年建成的香港汇丰银行(地下四层，地上四十五层)(图3)、德国慕尼黑BMW公司办公楼(二十层)(图2)、美国明尼亚波利斯联邦储备银行(十一层)、和南非约翰内斯堡标准银行(三十七层)。2004年12月12日，广东省博物馆新馆在珠江新城正式破土动工，新馆设计采用混凝土剪力墙——钢桁架悬挂结构体系。建成后的博物馆将是内地第一座采用悬挂式结构的大型公共建筑。与低层和多层建筑相比，如何在高层建筑中较好地解决采光、通风、人际交往、户外活动等方面的问题，仍然是建筑师与结构工程师面临的紧迫任务。巨型桁架悬挂钢结构高层建筑，不仅可以满足建筑师自由设计的要求，而且能够激发建筑师大胆创新的潜能[3]。由于该结构用悬挂体系构成内部楼段，可以在空间的不同位置设置大型孔洞，通过调整孔洞的位置、形状、大小，可显著减小结构的风荷载和风振效应，同时创造出多变的建筑空间形态。这个论文便是想通过概念解析、发展历程综述、案例分析以及实际工程应用等方法对高层悬挂式结构抗震等特性进行系统的阐述，归纳总结出该结构体系的优势和局限性，对该结构体系的布置得出一些有益的结论，同时对该结构形式高层在未来的发展做出展望[4]。
2.国内外悬挂结构研究概况
国内对高层悬挂式结构的研究多集中在对该结构的力学性能和抗震性能的分析上，对该结构体系的实际操作施工也有比较丰富的研究。主要成果集中在期刊论文及会议报告中。刘郁鑫在1998年在核筒悬挂建筑结构控制体系优化参数分析及避震一文中，首先从悬挂结构的自然、社会及工程属性，讨论其发展历程及特点[6]。其次，对单段核筒悬挂建筑结构给出了设计要点[11]。另外，进行了悬挂建筑结构的反应谱和直接积分分析，针对结构的特点提出了分析模型并编制出计算程序。同时，对单段核筒悬挂建筑结构进行了试验，检验结构体系的动力性质。最后，给出了预应力悬挂大梁的分析与设计方法，讨论了预应力筋的形状、梁的截面形式，得出了内力计算公式[8]。周坚在高层建筑悬挂结构体系动力分析一文中对高层建筑悬挂结构体系进行了动力分析，分别推导了芯筒刚度按线性及几何非线性考虑、吊杆采用弹性杆和柔索、悬挂楼层与芯筒分离和铰接等几种力学模型的相应公式，并编制了相应的计算程序，计算了算例。对各种模型的计算结果进行了比较，从而得出了相应的结论。
我国现代房屋悬挂结构的发展起步也不晚，20世纪50年代末已经开始了理论与实验研究，并在60年代相继建成了北京工人体育馆和浙江省人民体育馆。北京工人体育馆屋盖便采用了圆形轮辐式悬索体系，其直径达96m；浙江省人民体育馆采用了椭圆平面的预应力鞍形索网，长、短轴分别为80m与60m。之后直到80年代以后悬挂建筑结构体系的研究才又开始进入较好的发展状态。
20世纪90年代末建造的沈阳国税局大楼高88m，在我国首次采用了巨型框架悬挂结构方案，此方案将作为钢筋混凝土筒体的巨型柱布置在大楼的四角，1层楼高的巨型钢结构桁架梁共布置了4层，创造了无柱大空间，既满足了建筑功能，又减轻了地震作用[35]。
最新建设的广东省博物馆新馆址广东省标志性文化工程之一。中标方案是源于一个宝盒的概念——要求属厅内形成一个人跨度无柱式空间，且中间设置大面积的中庭，建筑与城市规划相结合，底部形成广场，建筑效果使博物馆在视觉上像一个飘浮下起伏的小丘上的宝盒。建筑概念的新奇最终选用了核筒悬挂结构体系的新形式“箱型核”钢桁架外挑结构体系，外围悬挑达到23. 5m[24]。
国外对高层悬挂结构有比较丰富的研究，在各种期刊杂志和书籍上都可见其端倪，且侧重于从结构设计分析的角度对悬挂式结构的力学特性进行相关研究。
1976年，美国的Goodno等建立了悬挂结构动力分析的三维计算模型，将组成建筑的基本部件—核心筒、楼板、悬索、缓冲器等作为子结构，采用超单元法进行了有限元计算[16]。
1976年，前苏联的Nikolaen等对悬挂结构的抗震性能进行了计算分析，得出了如下结论：
1)．悬挂结构的荷载动力系数标准值为非悬挂结构的1/2～1/3；
2)．荷载动力系数标准值随悬挂荷重与承重构件自重比值的增大而减小；
3)．当悬挂荷重构成的摆动自振频率小于2.5Hz时，作用在承重构架上的地震力与悬挂荷重无关。
1979年，前苏联建筑师格•波•波利索夫斯基设想出了一种“吊房”——一种采用核心筒悬挂建筑的方案，并进一步延伸想象出“悬浮建筑”、“悬浮城市”的奇妙构思[35]。
1982年，美国的沃尔夫岗•舒勒尔从结构设计师的角度，设计出了悬挂体系的各种结构表现形式，并按照不同的结构原理，即刚性筒体原理、拉索桅杆原理及绷紧体原理，将其归纳为三种不同的结构形式。
在实际工程应用方面：
1971年建成的加拿大温哥华西海岸办公大楼位于温哥华闹市区。设计要求该建筑物对周围环境的视线阻挡为最小，且要求该建筑物具有良好的抗震性能。最终建筑师将该办公楼设计成为悬挂结构体系[17]。建筑物的每层尺寸均为33.5m×33.5m，其中混凝土核心筒的尺寸为11m×11m。大楼共21层，总高度为84.4米。第1~3层对外全开敞，各层钢楼板通过核心筒顶部伸下的钢索悬吊着。
南非约翰内斯堡的标准银行大楼采用了悬挂式结构体系。这座塔式高层的平面尺寸为33.7m×33.7m，支承在平面尺寸为11.2m×l1.2m的刚性核筒上，刚性筒内的面积作为楼梯、电梯和管井之用。整个结构沿高度分为3节，每节各有10层楼面，分别通过8根吊杆悬挂在成“井”字形布置的现浇旋臂梁端上[27]。
20世纪80年代初新建的香港汇丰银行总部大楼，高出地面175米，地上43层。该工程正对着皇后广场和商业中心，方案要求不能阻断人流，再加上平面大空间布置的需求，经过各种方案比较，最终采用了悬挂结构体系方案。5个独立的占有2层高度的钢拉杆结构与东西侧的悬吊桁架南北向交叉组合，在第1l，20，28，35，和41层，把结构垂直分成5个独立的子结构，分别由钢框架悬吊，楼板在结构的东立面向内收进[37]。
另外，国外悬挂式结构体系在多高层上的实践应用还包括德国慕尼黑的宝马公司总部大楼，美国明尼亚波利斯联邦储备银行大楼，伦敦中区泰晤士河畔的河岸广场加建工程等。
3.悬挂模型的设计原则
悬挂结构的受力性能与结构高度、悬挂段数、悬挂楼层数、吊杆布置形式、悬挑面积及构件问连结形式等因素有关，此处主要讨论截面形式及高度限制、吊杆布置形式、连接构造、悬挂楼层及其楼段数。
1）截面形式及高度限制
悬挂柱的截面形式一般采用圆形、方形、多边形、矩形及椭圆形等，尽量布置成轴对
