（工程力学专业论文）钢筋混凝土巨型框架结构抗震设计研究.pdf

中文摘要 摘要 钢筋混凝土巨型框架结构体系是一种新型的结构体系，与其它结构体系相比， 具有许多显著的特点和优点。它不但传力明确、整体性好、空间划分更自由灵活， 并且还可以减少材料用量，充分发挥材料和结构性能，降低工程造价等。随着我 国经济建设的发展，钢筋混凝土巨型框架结构必将得到广泛的应用，但是国内外 对巨型框架结构体系的研究尚处于起步阶段。因此，开展巨型框架结构体系的研 究，有其重要的理论价值和实际意义。 本文结合现行规范所提出的三水准设防，两阶段设计法以及文献6 】所提出的三 水准设防，三阶段设计法，对设计基本地震加速度为0 1 5 9 地区( 下文称7 度半区) 和7 度区结构按主框架提高一度或者半度进行两榀巨型框架结构设计。采用弹塑 性动力分析程序d r a i n - 2 d + 南j - 结构进行弹塑性地震反应分析与评价，以得出合理的 设计参数。 为考察位于巨梁上的次框架底层柱底截面弯矩设计值增强系数按现行规范取 值是否合适，在以上分析的基础上，以位于巨型梁上的次框架底层柱底弯矩增强 系数的不同取值为变量，亦采用上述方法进行多榀典型平面巨型框架设计，同样 采用d r a i n 2 d + 程序对每个典型巨型框架在地震作用下进行弹塑性时程分析。得出 了这些巨型框架在地震作用下的不同受力变形特点、塑性铰出现情况和整个结构 的薄弱环节等，从中找出位于巨梁上的次框架底层柱底截面弯矩设计值增强系数 取值的正确思路，并给出本文设计的合理取值建议。最后，为钢筋混凝土巨型框 架结构抗震设计提出若干结论和建议。 关键词；钢筋混凝土巨型框架，抗震设计，时程分析，柱底弯矩增强系数 英文摘要 a b s t r a c t t h er e i n f o r c e dc o n c r e t em e g a - f r a m es l r u c t u r es y s t e mi san e wt y p eo fs t r u c t u r e s y s t e m i th a sm a n ys i g n i f i c a n tc h a r a c t e r i s t i c sa n da d v a n t a g e sc o m p a r e d w i t ht h eo t h e r s t r u c t u r es y s t e m s t h ef o r c et r a n s f e r e n c eo ft h es t r u c t u r ei sc l e a ra n dd i r e c ta n di th a s g o o di n t e g r i t y ；a l s o t h es p a c eo ft h es t r u c t u r ec a l lb ed i v i d e dw i t hf l e x i b i l i t y t h e c o n s u m p t i o no ft h e m a t e r i a lc a nb er e d u c e d ，t h ep e r f o r m a n c eo ft h em a t e r i a la n d s t r u c t u r ec a l lb ef u l l yu s e da n dt h ec o s to ft h ep r o j e c tc a nb er e d u c e d ，e t c w i t ht h e d e v e l o p m e n to f t h en a t i o n a le c o n o m y , t h er e i n f o r c e dc o n c r e t em e g a f r a n l es t r u c t u r e s w i l lb e w i d e l y u s e d h o w e v e ra tp r e s e n tt h er e s e a r c ho nt h i ss t r u c t u r a ls y s t e mh a sj u s t b e e nb e g u na b r o a da n dd o m e s t i c t h e r e f o r e ，i t sv a l u a b l ei nt h e o r ya n dh a sp r a c t i c a l m e a n i n g s t os t u d yt h er e i n f o r c e dc o n c r e t em e g a f l a m es t r u c t u r e s t h i sp a p e rb e g i n sw i t ht h es t r u c t u x ed e s i g no ft h et w ot y p i c a lp l a n er e i n f o r c e d c o n c r e t em e g a f r a m ei nt e r m so f o n eo rh a l f m o r ed e g r e ea c c o r d i n gt ot h ep r e s e n tc o d e s ， w h i c hs t a t et h et h r e e - l e v e lp r e c a u t i o na n dt w o s t a g e sd e s i g nm e t h o d ，a n dr e f e r e n c e s ， w h i c hs t a t et h et h r e e - l e v e lp r e c a u t i o na n dt h r e e - s t a g e sd e s i g nm e t h o d ，a n dc a r r i e so u t e l a s t i c p l a s t i c s e i s m r e s p o n s ea n a l y s i s u n d e rt h ea c t i o no ft h e e a r t h q u a k e a c t i o n s r e g a r d i n gt h e7 5 d e g r e er e g i o n , 7 - d e g r e er e 画o n t h ee l a s t i c - p l a s t i cd y n a m i ca n a l y s i s p r o g r a md r a i n 2 d + o ft h ep l a n es t r u c t u r e i su s e dt o g e te l a s t i c - p l a s t i ct i m e - h i s t o r y a n a l y s i sf o re a c ht y p i c a lm e g a - f r a m e u n d e rt h ea c t i o no fs e i s m i no r d e rt o a n a l y z et h ev a l u eo f t h ed e s i g na m p l i f i c a t i o nf a c t o mo fm o m e n ta t b o t t o ms e c t i o n so fg r o u n d 。f l o o rc o l u m n so ft h em i n o rf r a m eo nt h em a j o rb e a m si n a c c o r d a n c ew i t ht h ep r e s e n tc o d e si sp o s i t i v eo r n o t ，t h es t r u c t u r ed e s i g no f t h em u l t i p l e t y p i c a lp l a n em a g e f r a m eu s i n gt h es a m em e t h o di s c a r r i e do u tb a s e do nt h ea b o v e a n a l y s i s t h e nt h ee l a s t i c - p l a s t i ct i m e - h i s t o r ya n a l y s i su s i n gp r o g r a md r a i n 一2 d + o ft h e p l a n es t r u c t u r ef o re a c ht y p i c a lm e g a f r a m eu n d e rt h ea c t i o no fs e i s mi s c a r r i e do u t b a s e do nt h ev a r i a t i o no ft h ea m p l i f i c a t i o nf a c t o r so fm o m e ma tb o t t o ms e c t i o n so f g r o u n df l o o rc o l u m n so f t h em i n o rf r a m eo nt h em a j o rb e a m s a f t e rt h ea n a l y s i s ，t h e i n f o r m a t i o no ft h em e c h a n i c a lt r a n s m u t a t i o nc h a r a c t e r i s t i c s ，t h e e m e r g e n c eo ft h e p l a s t i ch i n g ea n dt h ew e a kp o i n to f t h ew h o l es t r u c t u r eu n d e rt h ea c t i o no fs e i s mi s o b t a i n e d ，f r o mw h i c ht h e c o r r e c t t h i n k i n go fh o wt o o b t a i nt h e d e s i g nv a l u eo f a m p l i f i c a t i o nf a c t o mo fm o m e n t sa tb o t t o ms e c t i o n so fg r o u n df l o o rc o l u m n so f t h e m i n o rf r a m eo nt h e m a j o rb e a m s i sf o u n d t h er e a s o n a b l e d e s i g n v a l u e sa r e r e c o m m e n d e di nt h i sp a p e r f i n a l l y , p u tf o r w a r ds e v e r a lc o n c l u s i o n sa n ds u g g e s t i o n sf o r s e i s m i cd e s i g no f t h er e i n f o r c e dc o n c r e t em e g a f r a m es t r u c t u r e k e y w o r d s ：r e i n f o r c e dc o n c r e t em e g a f r a m es t r u c t u r e ，s e i s m i cd e s i g n ，t i m e - h i s t o r y a n a l y s i s ，a m p l i f i c a t i o nf a c t o ro f m o m e n t s a tb o t t o ms e c t i o no f c o l u m n i 1 绪论 1 绪论 1 1 现代高层和超高层建筑结构体系发展趋势“卜“训 随着世界各国经济的发展和科学技术的进步，高层和超高层建筑也随之产生。 1 9 世纪末，高层建筑开始在比较发达的美、英等国出现。1 8 8 5 年，世界上第一幢 采用铸铁框架承重的近代高层建筑( 美国芝加哥家庭保险公司大楼，1 0 层，5 5 m ) 的建成，标志着一种区别于传统砌体结构的新结构体系的诞生。2 0 世纪初，随着 钢结构设计技术的发展和电梯的发明，高层建筑得到迅速的发展，而且层数逐步 增加。如著名的帝国大厦( 1 0 2 层，高3 8 1 m ) 就是在这一时期建造的，第二次世 界大战结束后，世界经济逐渐恢复，建筑业得以复苏，并得到前所未有的大发展。 首先是在美国，高层建筑像雨后春笋般涌现，并向超高层建筑发展，如1 9 7 4 年建 造的西尔斯大厦，高4 4 2 m 。随后欧洲、亚洲、澳洲以及其它地方也相继建造了许 多高层和超高层建筑，如马来西亚吉隆坡建成的双塔，高达4 5 0 m ( 图1 1 ) 。排名 世界第三的中国上海金茂大厦，高4 5 1 m ，以及我国最高、同时世界最高的上海环 球金融中心，高达4 6 0 m 。 随着建筑规模和建造高度的不断突破，在建筑结构形式和结构设计理论方面 出现了一些新的设计思路和设计概念，并且在新思路和概念的指导下大量采用新 的结构形式以达到更安全、经济和美观的目的。在最近二十年来出现了巨型结构 组合体系、刚臂支撑体系、悬挂结构体系、应力蒙皮结构体系、简体悬挑结构体 系、带加强层结构、在建筑中安放制振机等新型超高层建筑结构体系。 在这些超高层建筑建构体系中，巨型结构组合体系是技术经济效益最好的结 构体系之一，它是在一个建筑中由几个大型结构单元组成主结构，并与其它结构 单元组成的次结构共同工作，从而获得更大的稳定性和更强的效能。目前，国内 外己建成的采用巨型结构组合体系的高层和超高层建筑有美国芝加哥的约翰汉 考克中心( j o h nh a n c o c kc e n t e r , 1 0 0 层，3 4 4 m ，图1 2 ) ，香港的中国银行大厦( 7 2 层，商3 6 8 m ，图1 3 ) ，日本千时县的n e c 办公大楼( 4 3 层，高1 8 0 m ，图1 7 ) ， 新加坡华侨银行大厦以及中国深圳新华大厦( 图1 1 0 ) 等。 人们对未来的建筑提出了更高的要求，建筑高度不断突破，体现了科学技术 发展的水平，也标志着整个人类不断创造、探索的执着精神。规划中的伦敦城市 之门生态大厦高4 6 0 m ；上海大宇商务中心高4 6 0 m ：正在设计中的美国纽约电视大 厦( t e l e v i s i o nc i t yt o w e r ) 高度为5 0 9 m ；墨尔本格罗尔大厦高5 6 0 m ；芝加哥的 m i g l i n - b e i t l e rt o w e r 是1 2 5 层，屋顶高度4 8 3 m ，最高点为5 9 4 m ；美国的p h o e n i x t o w e r 高5 1 6 m ；法国的m i l l e n n i u mt o w e r 有1 5 0 层，高8 0 0 m ：拟建于芝加哥的1 3 6 重庆大学硕士学位论文 层综合大厦；日本的空中城市1 0 0 0 是一个大型竖向城市设计( 图1 4 ) ，高1 0 0 0 m ， 分为1 4 个空中台地，每组1 4 层；香港仿生大厦高1 1 8 0 m ；日本的x s e e d 4 0 0 0 的设计方案中该建筑高度达到了4 0 0 0 m 。 图1 1 吉隆坡双塔 f i 9 1 1d o u b l e t o w e r i nk u a l a l u m p u r - k 图1 2 芝加哥约翰汉考克中心图1 3 香港中国银行大厦 f i 9 1 2j o h n h a n c o c kc e n t e ri nc h i c a g o f i 9 1 3b a n ko f c h i n a b u i l d i n gi nh o n g k o n g 图l4日本空中城市1 0 0 0 f i 9 1 4s k y - c i t y1 0 0 0i nj a p a n l 绪论 这些超高层建筑基本上都采用了巨型桁架组合体系或者巨型框架组合体系， 它们的设计方案大多体现了如下的发展趋势： 1 巨柱周边化 超高层建筑的层数多，重心高，即使设计时注意了质量和刚度的对称布置， 但是由于偶然偏心等原因，地震时扭转振动是难以避免的，更何况地震确实含有 扭转分量，即使是对称结构，在地面运动分量的激励下也会发生扭转振动。所以， 超高层建筑的抗侧力构件逐渐从中心位置和分散布置转向沿建筑周边布置，以便 能提供大的抗扭力矩，同时，竖向构件沿周边布置并形成空间结构后，还大大提 高了侧向刚度，从而更有效地抵抗水平倾覆力矩。 2 结构支撑化 框筒是用于高层建筑的一种高效抗侧力构件，然而，它固有的剪力滞后效应， 削弱了它的抗推刚度和水平承载力。特别是当房屋平面尺寸较大，或者因为建筑 功能的需要而要加大柱距时，剪力滞后效应就更加严重，致使翼缘框架抵抗倾覆 力矩的作用大大降低。为使框筒能充分发挥潜力并有效地用于更高的建筑，在框 筒中增设支撑或斜向布置的抗剪墙板，己经成为一种强化框筒的有力措施。另外， 把在抵抗倾覆力矩中承担压力或者拉力的构件，由原来的沿房屋周边分散布置， 改为向房屋四角集中，在转角处形成一个巨柱，并利用交叉斜杆连成一个立体支 撑体系，是高层建筑结构的又一发展新趋势。由于巨大角柱在抵抗任何方向倾覆 力矩时都具有最大的力臂，从而比框筒更能充分发挥结构和材料的潜力，这样就 形成了巨型桁架组合体系。如香港中国银行就是一个典型工程实例( 图1 3 ) 。 3 体型圆锥化 随着建筑物高度的上升，建筑上部的风荷载和地震力以及相应的侧移加大， 这是超高层建筑必须解决的问题。采用体型圆锥化可以较好地解决这个问题，其 优点是：具有最小的风载体型系数：上部逐渐缩小，减少了上部的风荷载和地 震作用，从而可以大大减少由风荷载和地震作用引起的倾覆力矩。吉隆坡双塔是 很好的证明( 图1 1 ) 。 4 结构组合化 随着超高层建筑高度的不断增长，单一的结构形式己不能满足不断上升的建 筑结构的需要，将多种结构形式进行优化组合己成为超高层建筑结构体系发展的 必然趋势。以巨型支撑筒体或混凝土核心筒作柱、巨型立体桁架为梁所组成的巨 型空间框架将成为5 0 0 m 以上高度的超高层建筑的主要结构体系。同时，为满足各 种不同建筑功能和建筑风格的需要，巨型结构和其它结构形式如悬挂结构等组合 体系也将成为超高层建筑的主要结构形式。另一方面，结构组合化简化了结构构 造和设计。 重庆大学硕士学位论文 5 材料高强化 随着建筑高度的增加，结构面积占去建筑使用面积的比例越来越大。为了改 善这种不合理的状况，采用高强混凝土已成为必然的要求。c 6 0 到c 1 2 0 级混凝土 己经在高楼中得到实际应用。在国内，深圳的5 8 层，高2 1 8 m 的贤成大厦是采用 c 6 0 级高强混凝土建造的。还有成功地采用c 8 0 高强混凝土，建造了2 7 层、高1 0 2 m 的辽宁物产大厦。1 9 9 4 年中国土木工程学会出版了高强混凝土结构设计指南 h s c c 9 3 1 ，建设部己决定将c 6 0 一c 8 0 级混凝士列为“八五”新技术重点推广项目。 国外，高强混凝土的应用更加广泛，混凝土的强度等级也更高。美国芝加哥市的 7 4 层，高2 6 2 m 的水塔广场大厦，是采用c 7 0 级高强混凝土建造的。之后，在芝加 哥市又采用c 1 0 0 级高强混凝土建造了瓦克动力大楼( 2 2 5 w w a c k e r d r i v e ) ，在西雅 图市分别采用c 1 2 0 级和c 1 3 5 级高强度混凝建造了高2 0 0 m 以上的进口塔楼 ( g a t e w a yt o w e r ) 、太平洋第一中心大厦( p a c i f i cf i r s tc e n t e r ) 和双联广场大厦( t w o u n i o n s q u a r e ) 。 6 建筑轻量化 房屋越高，自重越大，引起的水平地震作用就越大，对竖向构件和地基造成 的压力也越大，从而带来一连串的不利影响。因此，目前在高层建筑中，已开始 推广应用轻型隔墙、轻质外隔板，以及采用陶粒、火山渣等为骨料的轻质混凝土， 以减轻建筑自重。例如，美国于1 9 7 1 年采用重度为1 8 0 0 k g m 3 的轻质高强混凝土， 成功地建造了5 2 层、高2 1 8 m 的贝壳广场大厦。 7 动力反应智能化 1 1l l 层结构平面 b 整体外观 图1 5 动力智能大厦一2 0 0 f i 9 1 5 d i b - - 2 0 0 度体系和计算机所组成的主动控制系统， 日本拟建的“动力智能大厦一2 0 0 ” ( d i b - - 2 0 0 ，图1 5 ) 是一座联体式特高 楼房，地下7 层；地上2 0 0 层，高8 0 0 m ： 建筑总面积为1 5 0 万平方米。因为楼房 很高，常规结构设计已无法抗拒台风和 地震的袭击。为了减小台风和地震作用 下的结构侧移和振动加速度，除了在结 构方面采用由支撑框筒作柱、立体桁架 作梁组成的巨型空间框架( 或称连体结 构) 这一新型结构体系外，还在结构上安 装了由传感器、质量驱动装置、可调刚 来控制整个结构的地震反应，使它处于 安全界限以内。据对比计算分析，安装主动控制系统后，地震作用下的结构侧移 可进一步削减4 0 左右。 4 1 绪论 1 2 巨型框架结构体系的特点和优点 巨型框架结构( m e g a - f r a m es t r u c t u r e ) 由几个大型结构单元所组成的主结构 ( 主框架) 与其它结构单元组成的次结构( 次框架) 共同工作，形成具有更大的 整体稳定性和更高效能的高层建筑结构体系。巨型框架结构体系的特点是由两级 结构组成，它打破了传统的以单独楼层为基本结构单元的格局，与其它结构相比， 有着不少显著的优点和特点，主要体现在以下几个方面： 1 l 传力明确 巨型框架结构体系是一种新型结构体系，它的主结构是由不同于通常梁柱概 念的大型构件巨型梁和巨型柱组成的巨型框架；次框架则是由常规构件组成。 主结构本身就可以是独立结构，其中巨型柱的尺寸很大，有时可超过一个普通框 架的柱距，形式上可以是巨大的实腹钢筋混凝土，钢骨混凝土柱、空间隔构式桁 架，或者是简体：巨型梁采用高度在一层左右的预应力混凝土大梁或平面( 空间) 格构式桁架，一般隔若干层才设置一道。巨型结构通常为主要抗侧力体系，次结 构起辅助作用和大震下的耗能作用，并将竖向荷载传给主结构。这样，主次结构 组成一种超常规的具有巨大抗侧力刚度及整体工作性能的大型结构。 2 整体性能好 在高层建筑结构中，水平荷载不但是主要作用荷载的一种，跟竖向荷载共同 起作用，而且往往成为设计中的控制因素。因此，结构的抗侧力刚度显得尤为重 要。带刚臂超高层结构体系的广泛应用就是一个例子，这种体系通过在避难层设 置整层高的刚臂，进一步加强核心筒与周边框架柱的联系，充分发挥周边框架柱 的抗侧力作用，能有效地提高结构的抗侧刚度，减小结构的侧移。巨型框架结构 体系的大梁实际上可充当刚臂，把两边的大柱连在一起组成一个巨型框架，共同 抵抗水平荷载作用，使得整个结构具有良好的整体性，可以有效地控制结构侧移。 3 能够更好地满足建筑功能的要求 现代高层建筑，往往在竖向需要大小不一的室内空间，通常，下部需要大空 间，上部需要小空间，与正常的结构布置相互矛盾。为了解决这一矛盾，需要在 结构转换的楼层设置转换层。巨型框架结构体系则能够满足这种要求，隔若干层 设置的大梁自然充当转换层的作用，使得沿竖向大小不一的空间得以自由布置。 由于巨型框架结构中沿竖向可以设置数道大梁，小柱不再是主要的抗力构件，故 两大层之间的小柱在竖向可以不连续，为避免竖向荷载传力不明确，紧贴大梁底 下的一层不宜设小柱，但是这样能形成大空间，可布置商店、会议室、娱乐场所 等公用空间，以方便人们的各种需要。 4 可以充分发挥各种材料的性能 由于巨型框架结构体系是有主结构和次结构共同工作组成的，主结构和次结 重庆大学硕士学位论文 构可以采用不同的材料，因此巨型框架结构体系可以有不同的变化和组合。例如 主结构可采用高强材料，次结构采用普通材料；主结构采用框架形式，次结构采 用悬挂结构等等。 5 可以加快施工进度 巨型框架结构体系可以先建造主结构，然后各个次结构同时施工，这样可大 大加快施工进度，从而获得更好的经济效益。 6 节约材料，降低造价 巨型框架结构体系中，虽然主结构的截面尺寸大，材料用量也大，但量大而 广的次结构只承受有限几层竖向荷载的作用，故其截面尺寸比一般高层建筑小一 些，所以总体上来说，可节约材料，降低造价，使建筑物更加经济实用。例如香 港的中国银行大厦采用巨型桁架体系，节省钢材5 0 ，其经济效益相当可观。 综上可知，巨型框架结构体系不但能保证结构的整体性和刚度，减少材料用 量，充分发挥材料和结构的性能，简化构造，降低造价，也使得建筑设计的灵活 性成为可能。 1 3 巨型框架结构体系的形式 巨型框架结构体系按其主要受力结构的不同可分为如下几种： 1 钢结构巨型框架 日本神户市t c 大厦( 图1 6 ) 是一座高层办公楼，地下3 层，地上2 5 层，高1 0 3 m 。 建筑平面接近正方形，平面尺寸为3 3 m x 3 2 m 。在平面的四个角，均采用以四片人 字形竖向支撑与柱距为5 7 m 的四根钢柱所围成的、边长约6 5 m 的钢支撑筒，作 彗 璧 i 泣体精i 、 瓮 i r l 4 屡) 蕻 殴 圜 ， 盆 矿v 1 l支捧强1劂 l 殴i b ： 敞 i m l ； 援 j d 、 j j 槲j b 婧拇瞢j 动 图1 6 日本神户市t c 大厦 f i 9 1 6t cb u i l d i n g i nh y o g o a f j a p a n 6 为主体巨型框架的角柱。在 顶层( 第2 5 层) 和第1 4 层， 沿楼层平面四边，设置一板 由4 榀桁架围成的、高约 4 m 、宽约6 m 的主体桁架粱， 作为主体巨型框架的大梁。 这4 根巨柱与两层各4 根巨 型梁共同组成了一个立体 的单跨双层巨型框架。作为 该大楼的主体结构，承担各 楼层的重力荷载和风、地震 引起的全部水平荷载。 1 绪论 日本千叶县的n e c 办公大楼，地上4 3 层，由于建筑布局上的要求，从底层 到1 3 层设置内部大庭园，从1 3 层到1 5 层设置一个横穿整个房屋的大开口。结构 平面和结构级剖面如图1 7 所示。该体系中的主框架，由4 根构架柱和4 根构架粱 组成。主框架几乎承担着全部风荷载和地震作用。主框架中的次框架为一般刚接 框架，柱网尺寸为7 4 m x1 0 8 m ，它主要承担局部楼层中的重力荷载。 i i i 一 露，。 _ i 二1萎一 f 瘗 l l 扎! 心 1 1二o i 糊 e _ 图1 7日本干叶县的n e c 大厦平面和剖面 f i 9 1 7t h e f l o o ra n dv e r t i c a lp l a no f n e c b u i l d i n g i nk s n k o o f j a p a n 东京市市政厅大厦( 高2 4 3 m ) 也属于此类结 构。整个结构是由8 根巨型柱与6 层巨型梁组成 的多跨巨型结构，其中巨型柱是由4 根角柱与4 片竖向支撑围成的支撑竖筒，巨型梁是由两榀竖 向放置桁架和两榀水平放置桁架围成的主体桁 架。图1 8 为该大厦的结构平面与剖面。值得一 提的是，东京市的地震烈度大致相当于我国地震 烈度表中的8 度半，此4 8 层的巨型框架结构体 系大厦成功地用于高烈度区，足见巨型框架的良 好耐震性和强大的抗震能力。 我国台湾省高雄银行大厦，地上8 2 层，高 3 3l m ，主结构采用巨型钢框架结构体系。巨型框 架柱也是由支撑竖筒组成，巨型框架粱则由主体 桁架组成，在巨型框架的各层巨型梁之间，另立 小型次框架来承担此区段内的若干楼层的重力荷 图1 8 日本东京市市政厅大厦 f i g 8 a d m i n i s a a t i o n b u i l d i n g i nt o k y o o f j a p a n oi卜小乱f_暑- t甜翔r叶 避潮一量 i，】ii _ 重庆大学硕士学位论文 载和局部水平荷载，并把它传给巨型框架。在大楼立面的中部开设了一个透空的 大洞。 2 钢筋混凝土巨型框架 在我国，高层建筑多为混凝土结构，所以已建成的巨型框架结构均为钢筋混 凝土巨型框架结构。例如深圳亚洲大酒店主楼，地上3 3 层，高1 1 4 1 m ，平面为y 形，按7 度进行抗震设防。它利用建筑平面中心部位的三角形芯筒和三个翼肢的 端简作为主框架的4 根立柱，以每隔6 个楼层设置的箱形楼盖作为大梁，从而构 成平面为y 形的大型主框架。在主框架的每层大梁上建造一个6 层楼高的次框架， 作为其间6 个楼层的局部承重结构。在每段次框架的顶层，所有中柱均在第6 层 楼板处中止，为第6 楼层造就出一个全楼面无柱的大空间，能够在使用上实现该 楼层的合理布局( 图1 9 ) 。 ( a ) 主框架结构平面( b ) 次框架结构剖面 图1 9 深圳亚洲大酒店 f i 9 1 9 a s i ap l a z ai ns h e n z h e n 3 钢筋混凝土巨型框架筒体体系 深圳新华大厦采用正方形平面，边长2 8 8 m ，地上共3 5 层。采用由芯筒和外 围巨型框架组成的钢筋混凝土巨型框架简体体系。芯筒平面为矩形，设四道横墙 和两道纵墙。楼层平面的外圈为钢筋混凝士巨型框架，平面四角的大截面双肢柱 作为主框架的四根角柱。沿楼房高度从下到上分别隔3 层、9 层、1 0 层设置预应 力混凝土大梁，与四根角柱一起构成主框架。在主框架的各层大梁之间设置3 1 0 层楼高的较小截面次框架，分别承担区段内的竖向荷载和局部水平荷载( 图1 1 0 ) 。 8 l 绪论 图】1 0 深圳新华大厦 f i 9 1 1 0 x i n h u ab u i l d i n gi ns h e n z h e n 4 次结构为悬挂体系的巨型框架结构 香港汇丰银行，建成于1 9 8 5 年，地下4 层，地上4 3 层，高1 7 5 m ；底层平面 尺寸为5 5 m x 7 2 m ，如图1 1 l 所示，由8 根格构柱和5 层纵、横向桁架梁组成巨型 框架结构，每道桁架梁伸出柱外1 0 8 m 。各层桁架梁之间的4 - 7 层楼板，通过吊杆 悬挂在上一层的桁架大梁上。分析表明，在纵向和横向水平力作用下，结构体系 的侧移曲线均为剪切型变形，沿房屋纵向结构的基本周期为4 5 秒，第二、第三扭 转振型的周期分别为3 7 秒和3 1 秒，比其它结构体系的自振周期稍长，表明其耗 能能力颇佳。 “结拘平面 b 1 鳍构姒剖面( 1 彗相酱剖面 图1 1 1 香港汇丰银行 f i 9 1 n h s b c b u i l d i n g i nh o n g k o n g 9 重庆大学硕士学位论文 1 4 巨型框架结构体系研究现状 国内外对巨型框架的研究和应用尚处于起步阶段，在美国及欧洲一些国家建 造的巨型结构，主要采用巨型桁架体系，因此他们的研究成果也集中于这些方面， 因与本文关系较小，这里不做介绍。日本、新加坡及台湾、香港地区在钢结构巨 型框架和巨型桁架结构体系方面研究较多，已取得的研究成果主要停留在解决工 程应用上。但是，如前所述，巨型框架结构已经出现，而且将会被越来越广泛地 应用，尤其是在我国，钢筋混凝土巨型框架结构会有较好的应用前景，巨型结构 中主要采用的是钢筋混凝土巨型框架结构，但是国内对巨型框架结构研究亦刚刚 起步。北京市建筑设计研究院与清华大学合作进行过巨型框架结构节点受力性能 的试验研究，东南大学惠卓博士进行了一榀钢筋混凝土框架结构模型低周反复苟 载试验，其余的研究目前还主要停留在理论分析阶段，如同济大学王肇民教授等 进行了巨型框架结构震动特性和巨型框架悬挂结构体系抗震性能的理论研究；东 南大学蓝宗建教授对钢筋混凝土巨型框架结构的多功能减震作用进行研究；重庆 大学李正良教授进行了钢筋混凝土巨型结构组合体系的静动力分析，并提出了适 用于巨型结构的三阶段设计法以及巨型结构体系合理的塑性耗能机制。 1 5 本文的研究目的与主要内容 本文的研究内容是教育部高校骨干教师资助项目“水平和竖向地震作用下钢筋 混凝土巨型结构体系的动力反应及抗震设计研究”中的一个组成部分。结构出现最 佳破坏机制即总体屈服机制的一个必要条件是：结构的塑性铰发展从次要构件开 始，或从主结构的次要部位开始，最后才在主要构件上出现塑性铰，从而形成多道 抗震防线。但是由于在巨型结构中，巨型梁柱是抗侧力的主要构件，其刚度远大于 次结构梁柱的刚度，如文献【6 所述，它承担了水平力的7 0 以上，一般情况下，它 极有可能是抗震的第一道防线，因此，如果不采取一定的措施，巨型梁柱的屈服往 往先于次结构梁柱的屈服，从而形成楼层屈服机制。 基于此，文献【6 】提出了下文所介绍的三阶段设计法，为保证主框架构件的强度， 提出第二阶段设计将主框架采用第二水准烈度的地震动参数进行设计。为了进一步 考察主框架的设计参数，本文采用现行规范所提出的三水准设防，两阶段设计法以 及文献【6 所提出的三水准设防，三阶段设计法，对设计基本地震加速度为0 1 5 9 区 ( 7 度半区) 和7 度区按主框架提高一度或者半度进行两榀巨型框架结构设计，并采 用大型平面结构弹塑性动力分析程序d r m n 2 d + 对结构进行弹塑性地震反应分析， 以得出合理的设计参数。 提高框架抗震性能的关键是保证其在中震和大震下维持合理的塑性耗能机 构，采取合理的“能力设计”措施，特别是合理的柱梁抗弯承载能力级差措施则 1 0 1 绪论 可以经济、合理地实现这一目标。现行规范规定“抗震设计时，一、二、三级框 架结构的底层柱底截面底弯矩设计值，应分别采用考虑地震作用组合底弯矩僮与 增大系数1 5 、1 ，2 5 、和1 1 5 的乘积”。为考察位于巨梁上的次框架底层柱底截面 弯矩设计值增强系数按规范取值是否合适，本文以位于巨型梁上的次框架底层柱 底弯矩增强系数的不同取值为变量，根据现行规范 1 2 - 1 3 以及结合文献【6 】所提出的三 水准设防、三阶段设计法进行多榀典型平面巨型框架设计，并进行罕遇地震下的 结构薄弱层弹塑性变形验算。同样采用弹塑性动力分析程序d r a i n - 2 d + 对每个典型 巨型框架在地震作用下进行弹塑性时程分析，得出了这些巨型框架在地震作用时 不同的受力变形特点、塑性铰出现情况和整个结构的薄弱环节等，从中找出位于 巨梁上的次框架底层柱底截面弯矩设计值增强系数取值的正确思路，并给出本文 设计的合理取值建议。 2 巨型框架结构体系地震反应分析方法和抗震设计的总体思想 2巨型框架结构体系地震反应分析方法和 抗震设计的总体思想 2 1 建筑结构地震反应分析方法概述 随着人们对地震动和结构动力特性认识程度的加深，过去几十年结构抗震理论 的发展，大体上可以分为静力、反应谱和动力三阶段。 2 1 1 静力理论阶段 静力理论是在2 0 世纪初由日本学者提出的。静力理论认为：结构物所受到的 地震作用，可以简化为作用于结构的等效水平静力，力的大小等于结构重力荷载 乘以地震系数，该系数的数值与结构动力特性无关，而且根据多次地震震害分析 得出的。该理论假设结构是刚性的，故结构上任何一点的振动加速度均等于地震 动加速度，结构上各部位单位质量所受到的地震力是相等的。 2 1 2 反应谱理论阶段 4 0 年代初，美国m b i o t 明确提出利用地震记录计算反应谱的概念。5 0 年代初， g w h o u s n c r 将此一设想加以实现。由于反应谱理论正确而简单地反映了地震动的 特征，并根据强震观测资料提出了实用的数据，在国际上得到了广泛的认可。到 5 0 年代，这一抗震理论已基本上取代了震度法，从而在抗震设计领域确立了反应 谱理论的主导地位。该理论的实质是考虑了结构动力特性与地震动特性之间的动 力关系，通过反应谱来计算由结构动力特性( 自振周期、振型和阻尼) 所产生的 共振效应，但其计算公式仍保留了早期静力理论的形式。反应谱方法的特点是理 论比较成熟，计算简单。但由于它本身的局限性，反应谱分析法仍不免存在如下 不足之处。 1 反应谱虽然考虑了结构动力特性所产生的共振效应，然而在设计中地震惯 性力按照静力来对待。所以，反应谱理论只能是一种准动力理论。 2 表征地震动的三要素是振幅、频谱和持时。在制作反应谱过程中虽然考虑 了其中的前两个要素，但始终未能反映地震动持时对结构破坏程度的重要影响。 3 反应谱是根据弹性结构地震反应绘制的，引用反应结构延性的结构影响系 数后，也只能笼统地的给出结构进入弹塑性状态的结构整体最大地震反应，不能 给内力和变形状态，因而也就无法找出结构薄弱环节。 2 1 3 动力理论阶段 6 0 年代中期以来，各国又相继发生了一些强烈地震。在不少地震现场，除了 取得大量的地震动数据外，还取得了很多结构的地震反应记录，更重要的是取得 了一些受到地震严重损坏的结构的地震反应记录，从而促进了地震工程研究的迅 重庆大学硕士学位论文 速发展，动力抗震设计理论逐渐成熟，该理论不仅进一步考虑了地震动的持时， 还更进一步地考虑了反应谱理论所不能概括的其它特性。该理论具有如下特点： 1 输入地震动参数时，需要符合场地情况、具有概率含义的加速度过程，对 于复杂结构要求给出地震动三个分量的时间过程及其空间相关性； 2 结构和构件的动力模型包括结构的非线性恢复力特性，更接近实际情况； 3 动力反应分析方法能够给出结构反应的全过程，包括变形和能量耗散的积 累； 4 结构设计原则考虑到多种使用状态和安全的概念保证。 由于动力理论在输入、模型、方法和原则等四个方面，都提出更具体的要求、 更明确的规定、更详细的计算，从而可以得到更可靠的结构设计。而时程分析法 是动力理论的实用方法。 2 1 4 时程分析的功能和主要步骤嘲 时程分析法又称动态分析法。它是将地震波按时段进行数值化后，输入结构 体系的振动微分方程，采用逐步积分法进行结构弹塑性动力反应分析，计算出结 构在整个强震时域中的振动状态全过程，给出各个时刻各杆件的内力和变形，以 及各杆件出现塑性铰的顺序。它从强度和变形两个方面来检验结构的安全和抗震 可靠度，并判明结构屈服机制和类型。 1 时程分析法的功能 时程分析法具有如下的功能： ( 1 ) 采用地震动加速度时程曲线作为输入，进行结构地震反应分析，从而全面 考虑了强震三要素，也自然地考虑了地震动丰富的长周期分量对高层建筑的不利 影响。 ( 2 ) 采用结构弹塑性全过程恢复力特性曲线来表征结构的力学性质，从而比较 确切地、具体地和细致地给出结构地弹塑性地震反应。 ( 3 ) 能够给出结构中各构件和杆件出现塑性铰的时刻和顺序，从而可以判明结 构的屈服机制。 ( 4 ) 对于非等强的结构，能找出结构的薄弱环节，并能计算出柔弱楼层的塑性 变形集中效应。 2 时程分析法的计算步骤 采用时程分析法进行结构地震分析时，其设计步骤大体如下： ( 1 ) 按照建筑场址地场地条件、设防烈度、近震或远震等因素，选择若干条具 有不同特性的典型强震加速度时程曲线，作为设计用的地震波输入。 ( 2 ) 根据结构体系的力学特性、地震反应分析的要求以及计算机储量，建立合 理的结构振动模型。 1 4 2巨型框架结构体系地震反应分析方法和抗震设计的总体思想 ( 3 ) 根据结构材料特性、构件类型和受力状态，选择恰当的结构恢复力模型， 并确定相当于结构( 或杆件) 开裂、屈服和极限位移等特性点的恢复力特性参数， 以及对应于恢复力特性曲线各折线段的结构( 或杆件) 刚度值。 ( 4 ) 建立结构在地震作用下的振动微分方程。 ( 5 ) 采用逐步积分法求解振动方程，取得结构地震反应的全过程。 ( 6 ) 必要时也可利用小震下的结构弹性反应所计算出的构件和杆件最大地震 内力，与其它荷载内力组合，进行截面设计。 ( 7 ) 采用容许变形限值来检验中震和大震下结构弹塑性反应所计算出的结构 的顶点位移和层问侧移角，判别是否符合要求。 到目前为止，时程分析是结构的地震反应的最有效的方法。 2 2 概念设计瞠“ 地震动是一种非平稳随机过程，存在着很大的不确定性和复杂性，要准确预 测建筑物所遭遇地震的特性和参数是十分困难的。在结构动力时程分析方面，由 于未能充分考虑结构的空间作用、弹塑性性质、材料性能和时间效应、阻尼变化 等多种因素，也存在着诸多的不确定性。在结构抗震理论远未达到科学严密的今 天，单靠计算很难使结构具有良好的抗震能力。因此，结构设计应着眼于结构总 体抗震能力的概念设计。 概念设计是运用人的思维和判断力，从宏观上决定结构设计中的基本问题。 要做好这项工作的首要条件，是对结构的功能要有比较透彻的了解。掌握了结构 受力的规律和真实情况，用正确的概念指导设计，就能掌握重点，冲破由于对问 题的错觉或狭义经验所产生的障碍和束缚：同时，才能使结构设计更好地符合客 观实际，创造出优秀的设计成果，避免在设计中发生原则性的错误。 概念设计包括的范围很广，要考虑的方面很多。不仅仅要分析总体布置上的 大原则，也要顾及到关键部位的细节。具体来说，要做好结构布置方案，以创造 对抗震的有利条件。分析地震力的性质和所选定结构体系的受力特点使主观意图 符合客观实际。了解地震力和荷载的传递途径及内力重分布的趋向，有效地布置 结构构件。预计结构的破坏过程和破坏机制，以加强结构的关键部位和薄弱环节。 注意建筑结构的连接整体性，做到大震不倒，小震不坏。做好结构的强度和刚度 在平面内和沿高度的均匀分布，避免应力过度集中。估计和控制塑性铰区出现的 部位和范围，有针对性地进行构造布置。多布置和