淺談懸掛結(jié)構(gòu)的研究現(xiàn)狀

劉富歡

【摘 要】本文介紹了懸掛結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)以及懸掛結(jié)構(gòu)在國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀，提出了進(jìn)一步研究的方向，為懸掛結(jié)構(gòu)在建筑體系的發(fā)展及建筑抗震的研究提供借鑒。

【關(guān)鍵詞】核筒；懸掛體結(jié)構(gòu)；Lagrange方程；龍格-庫塔方法；地震反應(yīng)分析

引言

地震是一種自然災(zāi)害，一旦發(fā)生，都會威脅到人類的生命，造成無法估計的經(jīng)濟(jì)損失。中國自古以來就遭遇地震災(zāi)害，尤其近年來地震頻發(fā)，每發(fā)生一次強(qiáng)烈地震都會帶來重大損失。這些突如其來的災(zāi)害給我們帶來的不僅是巨大的傷害，更讓我們深深地反思如何運(yùn)用工程結(jié)構(gòu)的抗震知識最大限度的減少國家和人民生命財產(chǎn)的損失，懸掛結(jié)構(gòu)就是在人們不斷尋求主動抗震的過程中應(yīng)運(yùn)而生的。我國開始研究懸掛結(jié)構(gòu)步伐較國外要晚一些，從20世紀(jì)90年代才不斷摸索前進(jìn)的。通過不斷模擬分析懸掛結(jié)構(gòu)的地震動力反應(yīng)，驗(yàn)證了該結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)非懸掛結(jié)構(gòu)相比具有良好的減震效果。

一、懸掛結(jié)構(gòu)的分類及特點(diǎn)

懸掛結(jié)構(gòu)是一種新型的建筑結(jié)構(gòu)形式，該結(jié)構(gòu)主要包括巨型框架結(jié)構(gòu)、核筒懸掛結(jié)構(gòu)和拱式懸掛結(jié)構(gòu)。

懸掛結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)的建筑結(jié)構(gòu)對比可知，有如下優(yōu)點(diǎn)：

1.在建筑形式上，體型獨(dú)特，美觀新穎，富于建筑藝術(shù)氣息，同時它可創(chuàng)造更大的使

用空間，滿足人們對建筑結(jié)構(gòu)的各種功能要求，也可以給設(shè)計者充分的發(fā)揮空間。

2.在結(jié)構(gòu)布置上，懸掛部分通過外伸的轉(zhuǎn)換層懸掛在結(jié)構(gòu)中部的核筒上。作為主要承重構(gòu)件的核筒占地面積小，不僅可以提高空間的利用率，還可以改善擁擠的交通，同時還可以減小基礎(chǔ)施工時可能會造成的不均勻沉降。

3.在抗震性能上，核筒懸掛結(jié)構(gòu)獨(dú)辟蹊徑，將結(jié)構(gòu)的振動控制理論與結(jié)構(gòu)設(shè)計原理完美結(jié)合，在結(jié)構(gòu)設(shè)計中采用相應(yīng)的抗震措施以提高建筑的穩(wěn)定性，可以大大提高結(jié)構(gòu)的安全性能。這種新型的減震結(jié)構(gòu)體系為以后高層及超高層的發(fā)展方向提供了新的思路。

4.在材料應(yīng)用上，該結(jié)構(gòu)能更好的發(fā)揮建筑材料的力學(xué)性能，從而節(jié)省材料降低造價。同時，為新材料的應(yīng)用提供了可能。

5.在結(jié)構(gòu)施工上，可采用多段懸掛施工方案，可顯著提高施工進(jìn)度，節(jié)約建筑成本。

二、懸掛結(jié)構(gòu)國內(nèi)外研究概況及其工程應(yīng)用

國內(nèi)外對懸掛結(jié)構(gòu)體系的研究方向大致分為以下幾部分：懸掛結(jié)構(gòu)的減震研究；懸掛結(jié)構(gòu)的建模和結(jié)構(gòu)動力反應(yīng)的分析方法；懸掛結(jié)構(gòu)體系的試驗(yàn)研究等。

（一）國外懸掛結(jié)構(gòu)研究概況及工程應(yīng)用

國外建筑師研究懸掛建筑結(jié)構(gòu)步伐比較早，在20世紀(jì)二十年代初期FLwright就開始了對樹狀混凝土懸臂結(jié)構(gòu)的研究。隨后在1927年Rash等人就提出了懸掛建筑結(jié)構(gòu)的概念，將懸掛的原理與房屋建筑創(chuàng)新性的結(jié)合起來。隨著社會的不斷進(jìn)步，超高層建筑在國外興起，1938年Williams將懸掛結(jié)構(gòu)形式融入超高層建筑體系，這是懸掛建筑體系的又一大創(chuàng)新和發(fā)展。隨著懸掛建筑自身的良好性能及獨(dú)特的造型，在20世紀(jì)中期開始被世界認(rèn)可和接受，各國開始相繼建造了一系列的懸掛高層建筑。1976年B.J.Goodnopl建立了懸掛結(jié)構(gòu)動力分析的模型。同年，N.A.Nikolaen又進(jìn)一步對懸掛結(jié)構(gòu)的地震動力反應(yīng)進(jìn)行了分析計算，從而對該結(jié)構(gòu)的抗震性能更加的深入剖析。90年代，MAriaQ.Feng等人通過用巨型子結(jié)構(gòu)完成了對高層懸掛建筑在風(fēng)及地震等作用下的研究。

在工程應(yīng)用方面，1970年在南非約翰內(nèi)斯堡建造的35層的標(biāo)準(zhǔn)銀行可以說是核筒伸臂懸掛結(jié)構(gòu)的典型代表。1972年建成的德國慕尼黑20層的BMW行政大樓該結(jié)構(gòu)用連接梁及樓板將四個開口圓形混凝土小筒核筒連成整體，將其作為主體結(jié)構(gòu)，在其主體結(jié)構(gòu)上由其連接大梁懸掛四個對稱的圓弧形樓段。1973年在美國明尼蘇達(dá)州建造的11層的聯(lián)邦儲備銀行，結(jié)構(gòu)主體呈橋形，兩條懸鏈各沿一面，由四個角墩和其頂部9.14m高，83.21m跨的桁架支撐組成。

（二）國內(nèi)懸掛結(jié)構(gòu)研究概況及工程應(yīng)用

我國與國外相比，對懸掛結(jié)構(gòu)的研究步伐相對慢一些，從20世紀(jì)50年代才開始進(jìn)行，主要方向是核筒懸掛結(jié)構(gòu)和巨型框架懸掛結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能和抗震性能。在80年代后期，改革開放后我國對懸掛結(jié)構(gòu)的研究進(jìn)入了穩(wěn)步發(fā)展的階段。

趙艷秋是國內(nèi)首先研究懸掛建筑的學(xué)者，在研究中充分考慮了結(jié)構(gòu)受彎扭情況。張暉等人在核筒懸掛模型中的中央筒體與懸掛的樓板之間設(shè)置了耗能裝置，通過研究其結(jié)構(gòu)的地震動力反應(yīng)，得出了該懸掛結(jié)構(gòu)有良好的減震作用。楊允表等通過計算核筒懸掛結(jié)構(gòu)，驗(yàn)證了該結(jié)構(gòu)具有明顯的減震效果。周堅，伍孝波等人建立了懸掛結(jié)構(gòu)模型，通過對該結(jié)構(gòu)進(jìn)行地震動力反應(yīng)實(shí)驗(yàn)，進(jìn)一步表明了該結(jié)構(gòu)有顯著的減震效果。羅兆輝等主要從結(jié)構(gòu)的動力特性及核筒自振頻率方面進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)分析，最終得出在頻率很小時，核筒懸掛結(jié)構(gòu)可以大量的吸收地震能，具有明顯的減震效果。夏逸鳴等獨(dú)辟蹊徑，從能量方面進(jìn)行分析，進(jìn)一步驗(yàn)證了核筒懸掛結(jié)構(gòu)優(yōu)良的減震效果。

在工程應(yīng)用方面，我國在60年代初期興建了一批典型的懸掛式建筑，北京工人體育館和浙江省人民體育館。還有南昌拖拉機(jī)齒輪廠齒輪車間，4塊殼板組成的屋頂懸掛在柱頭上，成為當(dāng)時的一大特色。由于懸掛建筑自身功能的優(yōu)越性，在三亞市已經(jīng)建造了具有觀賞價值的懸掛建筑結(jié)構(gòu)，中心筒體與吊桿懸掛相結(jié)合，增加了內(nèi)部空間的使用面積，受到旅游城市的青睞。1986年中國香港匯豐銀行建成，高48層，是懸掛結(jié)構(gòu)的又杰出一代表作。

三、展望

本文主要對懸掛結(jié)構(gòu)的分類及特點(diǎn)，國內(nèi)外懸掛結(jié)構(gòu)的研究現(xiàn)狀及工程應(yīng)用進(jìn)行了總結(jié)。懸掛結(jié)構(gòu)形式新穎，造型變化多端，更重要的該結(jié)構(gòu)具有合理的傳力體制，與傳統(tǒng)建筑結(jié)構(gòu)相比，能夠更好的抵抗地震等災(zāi)害，達(dá)到藝術(shù)與建筑的完美結(jié)合，越來越受到國內(nèi)外工程界和學(xué)術(shù)界的格外關(guān)注。我國對懸掛體系的研究起步比較晚，因此對懸掛建筑結(jié)構(gòu)的廣泛應(yīng)用還應(yīng)展開相關(guān)的試驗(yàn)和理論研究，提出更加可靠的抗震方法，以保證建筑結(jié)構(gòu)的安全性和適用性。

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