巨型框架结构

浅谈巨型框架结构摘要:根据目前高层建筑结构的发展趋势，介绍了巨型框架建筑结构的概念、组成、特点及应用情况。分析了巨型框架结构的优缺点和亟待解决的问题。为巨型框架结构的分析及应用提供参考。关键词：巨型框架；结构形式Summaryofmega-framestructureFengTiandongAbstract:Accordingtothetrendofthedevelopmenthigh-risebuildings,theconcepts,compositions,charactersandapplicationsofthemega-framestructurearepresentedinthispaper.Someadvantagesanddisadvantages,togetherwithsomesubjectsarediscussed.Providereferencetoanalysisandapplicationofmega-framestructure.Keyword:Mega-frame;structuretype一、高层建筑的发展高层建筑是近代经济发展和科学技术进步的产物，是近代工业化和城市化结合发展产物，是一种缓解人口增长、土地资源日趋紧张的有效方式。⑵至今已有100余年的历史。一般认为，世界上第一座近代高层建筑是1883年在美国芝加哥建成的铸铁框架承重的家庭保险大楼（HomeInsuranceBuilding）o随着世界建筑高度越来越高，逐渐出现了超高层建筑，超高层建筑一般泛指高度在200m、层数在50层以上的建筑。1996年以前世界上已建成的高层建筑中，最高的是美国芝加哥的西尔斯大厦（110层,高443m）,当前828m高的哈利法塔（迪拜塔）（图-1）成为世界新高度。高层建筑结构设计特点:⑹（1）水平荷载成为决定因素。一方面，因为楼房自重和楼面使用荷载在竖构件中所引起的轴力和弯矩的数值，仅与楼房高度的一次方成正比；而水平荷载对结构产生的倾覆力矩，以及由此在竖构件中引起的轴力，是与楼房高度的两次方成正比；另一方面，对某一定高度楼房来说，竖向荷载大体上是定值，而作为水平荷载的风荷载和地震作用，其数值是随结构动力特性的不同而有较大幅度的变化。（2）轴向变形不容忽视。高层建筑中，竖向荷载数值很大，能够在柱中引起较大的轴向变形，从而会对连续梁弯矩产生影响，造成连续梁中间支座处的负弯矩值减小，跨中正弯矩之和端支座负弯矩值增大；还会对预制构件的下料长度产生影响，要求根据轴向变形计算值，对下料长度进行调整；另外对构件剪力和侧移产生影响，与考虑构件竖向变形比较，会得出偏于不安全的结果。（3）侧移成为控制指标。与较低楼房不同，结构侧移已成为高楼结构设计中的关键因素。随着楼房高度的增加，水平荷载下结构的侧移变形迅速增大，因而结构在水平荷载作用下的侧移应被控制在某一限度之内。（4）结构延性是重要设计指标。相对于较低楼房而言，高楼结构更柔一些，在地震作用下的变形更大一些。为了使结构在进入塑性变形阶段后仍具有较强的变形能力，避免倒塌，特别需要在构造上采取恰当的措施，来保证结构具有足够的延性。图-1二、高层建筑矩形框架结构体系高层建筑结构竖向结构体系常采用：框架体系、剪力墙结构体系、框架----剪力墙结构体系、筒体结构体系、悬挂结构以及巨型框架结构体系等结构体系⑸。其中矩形框架结构体系结构体系是近些年新出现并开始逐渐应用于实际工程的一种结构体系。巨型框架结构是20世纪60年代末出现的巨型结构体系在结构设计、应用中出现的一种新的结构形式,由梁式转换层结构发展而来⑶。巨型框架结构也称为主次框架结构，主框架为巨型框架，次框架为普通框架。主框架结构截面几何尺度、面积、惯性矩等很大而次框架构件截面几何尺度、面积、惯性矩等相对很小，两者不是同一数量级。巨柱通常由楼、电梯井或大截面实体柱组成，巨梁一般每隔几个或者十几个楼层设置一道，梁高一般占一个或者几个楼层高。巨型框架是由大型构件巨型梁、巨型柱等组成的主结构与由常规梁、柱构件组成的次结构共同工作的结构体系。一级框架承受了主要的荷载，二级框架仅起到辅助作用以及地震作用下的耗能作用，其传力路径不是简单的梁、柱路径。竖向受力时二级框架将所受竖向力传到主框架梁，最后通过主框架柱将所受竖向力传到地基。侧向力方面由于主框架抗侧刚度相对于次框架较大，且二者不是一个数量级，主框架承担了主要的侧向力。由于其结构传力形式的迥异使得巨型框架结构的分析计算与一般框架结构有较大的差异。[1]

巨型框架结构的优越性和弊端分析3、1巨型框架结构的优越性（1）巨型框架结构体系有很好的建筑适应性和结构的性能在主体巨型结构的平面布置和沿高度布置均为规则的前提下，建筑布置和建筑空间在不同楼层可以有所变化，形成不同的建筑平面和空间，例如有些建筑在某些层需要大空间，甚至实现穿透结构的大洞口。图-2为深圳亚洲大酒店巨型框架结构的平面图和次框架剖面图。位于三个翼端部的筒（楼、电梯间）和位于平面中心的剪力墙作为四根巨柱，每隔6层用一层高的4根大梁和楼板组成箱形大梁。巨梁之间的次框架为5层，次框架顶上有一层没有柱子，形成大的空旷面积。me图-2深圳亚洲大酒店结构平面图和次框架剖面图me（a）平面图；（b）次框架剖面图（2）矩形框架结构体系的整体刚度比一般建筑房屋大，建筑结构整体性好⑵。从巨型截面梁的截面刚度公式EI=E*bh3/12分析知道，刚度与截面高度的三次方成正比。巨型框架结构的主框架构件的截面尺寸比常规建筑大很多，因此，其刚度必然比一般建筑结构大很多。[3]（3）巨型框架结构体系可先施工其主框架，待主框架完成后分开各个工作面同时施工次框架，巨型结构的施工方法可大大加快施工进度。⑵（4）巨型结构中可将多种结构形式及不同材料进行组合，实现建筑的多功能化，满足有特殊功能要求的建筑。⑵（5）巨型框架结构传力明确。巨型结构是一种新型结构体系，主框架为主要的抗侧力体系和承重体系。此结构只起到辅助作用和大震下的耗能作用，并负责将荷载传给主结构，传力路径十分明确。[4]（6）具有更高的稳定性和效能。可节约材料，降低造价，使建筑物更加经济适用。[3]3、2巨型框架结构存在的弊端当巨型结构越来越成为建筑师的青睐对象时，人们往往忽视巨型结构存在的弊端。⑵（1）高层建筑不利于消防的，超高层建筑的消防难度不言而喻。所以巨型框架结构的消防要立足自救，其消防设施必须严格满足超高层超高层建筑室内防火规范的规定；巨型框架结构的玻璃幕墙易造成光污染；巨型框架结构的中低层居室内的日晒得不到保证；电磁辐射、风环境对城市环境和周围建筑产生不利影响。（2））超高层巨型结构形体复杂化、构件立体化，与常规建筑有较大差异，目前没有现成的规范规定巨型结构的抗风、抗震设计，待专门部门研究后一般结构振动控制方法是否有效。（3）关于巨型结构的力学模型建立和结构分析方法的研究，是一个迫切的课题。从解析角度分析巨型结构将碰到难以克服的困难，因为巨型结构存在明显的结构层次。受计算机容量和运算速度的限制，有限元法很难进行空间弹塑性分析。（4）无法合理确定结构刚度。与国外超高层建筑相比，我国的设计方案偏于刚性，相应的地震作用也偏大，如何进行合理优化设计、得到合理刚度是亟待解决的问题。四、巨型框架结构的主要结构形式巨型框架结构的主要形式为：纯钢结构巨型框架、钢筋混凝土巨型框架、刚----混凝土组合结构巨型框架等。⑵4.1纯钢结构巨型框架巨型框架的“梁”是由四根桁架、四片斜格式多重腹杆桁架围成的立体桁架，矩形框架的“柱”是由四片支撑围成的立体支撑或由一个小框筒构成。一般有桁架式、斜格式和框筒式（如图-3）。代表建筑：日本神户TC大厦，如图-4。纯钢结构巨型框架结构的三个基本形式图-3

日鲜构平面图-4纯钢结构巨型框架结构的三个基本形式图-3日鲜构平面4、2钢筋混凝土巨型框钢筋混凝土墙围成的芯筒与外围的大型主框架和小型次框架组成。大型的主框架各层巨梁之间设置小型的次框架，承担各个分区段的若干楼层的竖向荷载。代表建筑:厦门国际金融大厦。图-5图-5厦门国际金融大厦结构布置4、3刚----混凝土组合结构巨型框架钢----混凝土组合结构矩形框架体系，柱采用钢筋混凝土筒体，梁采用钢桁架。它综合利用了钢结构和混凝土结构各自的优点，具有较好的刚性和延性，有较高承载能力。代表建筑：新加坡华侨银行。图-6新加坡华侨银行五、亟待解决的几个问题巨型结构属于大型复杂结构，对其受力性能、地震破坏机理、力学分析以及结构设计等比普通结构要复杂得多，目前国内外的理论研究成果还很少，随着工程应用的推广，必将出现许多亟待解决的问题。⑶1巨型结构的计算模型和分析方法由于巨型结构中存在明显的结构层次，结构特性不再像传统体系那样比较单一。若从解析角度分析将碰到难以克服的困难。若采用较成熟的有限元法，如杆系有限元法进行空间弹塑性分析，受到计算机容量和运算速度的限制，在工程设计中还不能作为实用方法采用。特别是支撑桁架，考虑支撑屈曲引起的承载力降低，在数值分析上有困难，工程极少采用。另外，巨型结构内部次结构的墙和柱均很少，楼板在结构整体中的作用与一般结构相比存在较大的差别，目前已有的剪切杆模型、刚性楼板模型和弹性力学剪切板模型均显得过于粗糙。因此，关于巨型结构的力学模型建立和结构分析方法的研究，是一个很迫切的课题。2巨型结构复杂节点的受力性能和设计方法的研究构件节点是保证高层钢结构安全的关键部位，对结构受力性能有着重要影响。杆件连接处易于产生局部变形和应力集中现象，它的性能不能以弹性理论为基础予以解析，只能以塑性设计为依据将接头模型化，寻求与强度准则相符的平衡解。巨型结构节点不同于一般节点，必须开展理论和试验研究,并提出相应的设计方法，以确保其安全、耐久、经济实用。5.3高层巨型结构的抗震设计和结构振动控制超高层巨型结构趋向于高柔化、形体复杂化和构件立体化。与常规结构有较大差异，其抗风和抗震设计方法尚无现成规范可依，一般结构振动控制方法是否有效，都有待进行专门的研究。5.4巨型结构的基础形式及设计方法超高层巨型结构的柱网布置趋向于周边化和大距离离散化，使得每根巨型柱传递的轴力特别巨大，原有基础类型和构造是否满足，这就为基础设计提出了新问题。同时对软土地基上的土-----结构相互作用也需要专门研究。5.5巨型结构在多次地震作用下的损伤累积方法研究在一次地震中受损的结构如果再经历若十次地震（如余震序列等），就很可能会倒塌。在1987年美国加州WhittierNarrows地震中就发生过多起。1994年美国Northridge地震和1995年日本阪神大地震，充分说明了考虑多次地震乃全多因素作用（如地震、火灾、强风等）下的结构损伤累积的研究，才能真正地保证结构的安全性和耐久性。5.6超高层巨型结构合理刚度的研究对超高层建筑，风和地震是控制结构截面内力和配筋的主要因素，而巨型结构的整体刚度和层间刚度分布等对地震和风作用下内力、变形大小和特征均有重要的影响，与国外超高层建筑相比，我国设计方案通常偏于刚性，相应的地震作用也偏大。如何进行合理优化设计，以得到合理刚度是很关键的一个课题。六、研究与应用前瞻随着巨型框架建筑结构形式的应用越老越广泛，巨型框架结构这一具有很好的建筑适应性和潜在的高效结构性能的结构形式，正在越来越引起国际建筑业的关注，对其内力分析日益成为人们研究计算巨型框架结构的焦点和难题，而目前对巨型框架结构的研究还仅限于对具体工程和局部构件、节点的研究，而对其体系的研究较少；故有关巨型框架建筑结构受力分析及特点方面的研究越来越受到人们的关注，对结构计算模型的建立的研究也逐渐成为热门。未来的高层建筑将需要更多的灵活性来形成多样化的居住环境，或包括更多的实用功能。集各种结构体系的优点于一身的简单而有效