楼板刚度及次框架对巨型钢框架结构反应的影响
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摘要
本文首先介绍了巨型结构及其特点，着重总结、论述了巨型钢结构的力学模型和分析方法及其抗震研究发展现状，指出了这种钢结构体系抗震研究中存在的主要问题，和今后需要进一步研究的方向。
在此基础上，深入研究了楼板刚度及次框架对巨型钢框架结构反应、抗震设计方法及抗震性能的影响。本文选取了具有代表性的3个巨型钢框架结构作为算例，假设了4个计算方案，即方案1：仅考虑主框架、不考虑楼板刚度；方案2：考虑主、次框架协同工作、不考虑楼板刚度；方案3：考虑主、次框架协同工作和楼板刚度；方案4：仅考虑主框架和楼板刚度。应用有限元分析软件ANSYS，选取了代表不同场地条件的5条典型地震波，对不同计算方案的3个算例进行三维地震时程反应分析。通过对算例1方案1和方案4及算例1-3方案2和方案3结构周期、位移和内力反应的比较，研究了楼板刚度对巨型钢框架结构反应的影响，得到如下结论：与普通钢框架的梁、柱相比，巨型钢框架中主框架的巨型梁、巨型柱截面尺寸要大得多，并且由它们组成的这种超常规的大型结构具有巨大的抗侧刚度和整体工作性能，因此，在地震作用下，考虑楼板刚度与否对巨型钢框架结构整体反应影响不大，对主框架柱位移和内力反应影响也不大，但对次框架位移和内力反应的影响相对较大。由此可见，我们有理由采用计算方案1代替方案4与方案3比较来研究次框架对巨型钢框架结构反应和抗震性能的影响。通过3个算例方案1和方案3结构周期、位移和内力反应的比较分析可知，次框架可以进一步增加巨型钢框架结构的抗侧刚度，减少结构侧向变形，特别是明显减少了结构最大层间位移，使整个结构的内力与变形分布更为均匀；次框架的加入使主框架柱最大轴力较无次框架情况减少，而主框架柱的最大剪力和弯矩较无次框架情况都有所增加，由此可知，虽然主框架本身可以成为独立的结构体系，但在分析设计时，还应该考虑主、次框架协同工作，进行整体分析、整体设计，否则结构会偏于不安全。通过研究还发现，组成一个巨型柱的内榀柱的剪力和弯矩增加幅度比外榀柱要大得多，设计时也应给予注意。
In this paper, the mega structure and its characteristics are introduced. The mechanical models, analysis methods and the present seismic research condition of the structures are summarized. The main problems and the direction of further seismic research of the structures in future are pointed out.
On the basis of these, the paper studies profoundly the influence on response, seismic design method and seismic behavior of the mega steel structures from the floor stiffness and hypo-frame. Three representative mega steel-frame structures are selected. Four calculative modes are hypothesized, which are, mode 1: considering the main-frame, not considering the floor stiffness; mode 2: considering the cooperation of main and hypo frames, not considering the floor stiffness; mode 3: considering the cooperation of main and hypo frames, and the floor stiffness; mode 4: considering the main-frame and the floor stiffness. 5 typical earthquake waves are selected, which represent different site conditions respectively. Using finite element program ANSYS, three-dimensional history time analysis of three mega steel-frame structures with different calculative modes subjected to different earthquake ground motions are conducted. The results of structural period, displacement and internal forces including axial force, sh
ear force and bending moment are obtained. In order to study how the floor stiffnesses influence on the mega steel-frame structures, the results of mode 1 and mode 4 of example 1, and those of mode 2 and mode 3 of three examples are compared. Some conclusions are obtained as follows: compared with beams and columns of the common steel-frame structures, the cross-sectional dimension of mega beams and mega columns in the main-frames of mega steel-frame structures are very large. Because the mega structure system has great lateral stiffness and entirety work behavior, whether or not considering the floor stiffness has less influence on the entirety responses of the mega steel-frame structures and on the displacement and internal forces of columns of the mainframe, but larger influence on the response of columns of hypo-frame. So it is reasonable that mode 1 substituting for mode 4 is compared with mode 3 to study the influence on response, and seismic behavior of the mega steel structures from the hypo-frame. C
ompared the results of structural period, displacement and internal forces of mode 1 with mode 3, we can know that the hypo-frame can increase the lateral stiffness of the mega steel-frame structures, decrease lateral-deformation of the structures, especially decrease the maximum inter-storey displacement obviously, and get the internal forces and deformation of the whole structure more uniform. From the analysis results, it can be found that the maximum axial force gets less
with hypo-frame than without it, and the maximum shear force and bending moment get more with hypo-frame than without it. Thus it can be seen that the mainframe can be an independent structure system by itself, but the cooperation of main and hypo frame should be considered for conducting the entire analysis and design, otherwise the mega structure can be unsafe, In addition, from the comparing analysis, it can be found that the shear force and bending moment of inside-row columns are increased much more than those of outside-row ones in a mega column. So this phenomenon should be paid attention during designing of a mega structure.
在此基础上，深入研究了楼板刚度及次框架对巨型钢框架结构反应、抗震设计方法及抗震性能的影响。本文选取了具有代表性的3个巨型钢框架结构作为算例，假设了4个计算方案，即方案1：仅考虑主框架、不考虑楼板刚度；方案2：考虑主、次框架协同工作、不考虑楼板刚度；方案3：考虑主、次框架协同工作和楼板刚度；方案4：仅考虑主框架和楼板刚度。应用有限元分析软件ANSYS，选取了代表不同场地条件的5条典型地震波，对不同计算方案的3个算例进行三维地震时程反应分析。通过对算例1方案1和方案4及算例1-3方案2和方案3结构周期、位移和内力反应的比较，研究了楼板刚度对巨型钢框架结构反应的影响，得到如下结论：与普通钢框架的梁、柱相比，巨型钢框架中主框架的巨型梁、巨型柱截面尺寸要大得多，并且由它们组成的这种超常规的大型结构具有巨大的抗侧刚度和整体工作性能，因此，在地震作用下，考虑楼板刚度与否对巨型钢框架结构整体反应影响不大，对主框架柱位移和内力反应影响也不大，但对次框架位移和内力反应的影响相对较大。由此可见，我们有理由采用计算方案1代替方案4与方案3比较来研究次框架对巨型钢框架结构反应和抗震性能的影响。通过3个算例方案1和方案3结构周期、位移和内力反应的比较分析可知，次框架可以进一步增加巨型钢框架结构的抗侧刚度，减少结构侧向变形，特别是明显减少了结构最大层间位移，使整个结构的内力与变形分布更为均匀；次框架的加入使主框架柱最大轴力较无次框架情况减少，而主框架柱的最大剪力和弯矩较无次框架情况都有所增加，由此可知，虽然主框架本身可以成为独立的结构体系，但在分析设计时，还应该考虑主、次框架协同工作，进行整体分析、整体设计，否则结构会偏于不安全。通过研究还发现，组成一个巨型柱的内榀柱的剪力和弯矩增加幅度比外榀柱要大得多，设计时也应给予注意。
In this paper, the mega structure and its characteristics are introduced. The mechanical models, analysis methods and the present seismic research condition of the structures are summarized. The main problems and the direction of further seismic research of the structures in future are pointed out.
On the basis of these, the paper studies profoundly the influence on response, seismic design method and seismic behavior of the mega steel structures from the floor stiffness and hypo-frame. Three representative mega steel-frame structures are selected. Four calculative modes are hypothesized, which are, mode 1: considering the main-frame, not considering the floor stiffness; mode 2: considering the cooperation of main and hypo frames, not considering the floor stiffness; mode 3: considering the cooperation of main and hypo frames, and the floor stiffness; mode 4: considering the main-frame and the floor stiffness. 5 typical earthquake waves are selected, which represent different site conditions respectively. Using finite element program ANSYS, three-dimensional history time analysis of three mega steel-frame structures with different calculative modes subjected to different earthquake ground motions are conducted. The results of structural period, displacement and internal forces including axial force, sh
ear force and bending moment are obtained. In order to study how the floor stiffnesses influence on the mega steel-frame structures, the results of mode 1 and mode 4 of example 1, and those of mode 2 and mode 3 of three examples are compared. Some conclusions are obtained as follows: compared with beams and columns of the common steel-frame structures, the cross-sectional dimension of mega beams and mega columns in the main-frames of mega steel-frame structures are very large. Because the mega structure system has great lateral stiffness and entirety work behavior, whether or not considering the floor stiffness has less influence on the entirety responses of the mega steel-frame structures and on the displacement and internal forces of columns of the mainframe, but larger influence on the response of columns of hypo-frame. So it is reasonable that mode 1 substituting for mode 4 is compared with mode 3 to study the influence on response, and seismic behavior of the mega steel structures from the hypo-frame. C
ompared the results of structural period, displacement and internal forces of mode 1 with mode 3, we can know that the hypo-frame can increase the lateral stiffness of the mega steel-frame structures, decrease lateral-deformation of the structures, especially decrease the maximum inter-storey displacement obviously, and get the internal forces and deformation of the whole structure more uniform. From the analysis results, it can be found that the maximum axial force gets less
with hypo-frame than without it, and the maximum shear force and bending moment get more with hypo-frame than without it. Thus it can be seen that the mainframe can be an independent structure system by itself, but the cooperation of main and hypo frame should be considered for conducting the entire analysis and design, otherwise the mega structure can be unsafe, In addition, from the comparing analysis, it can be found that the shear force and bending moment of inside-row columns are increased much more than those of outside-row ones in a mega column. So this phenomenon should be paid attention during designing of a mega structure.
引文
[1] 陈富生、邱国华、范重，高层建钢结构设计，中国建筑工业出版社，2000
[2] 李君、张耀春，超高层结构的新体系—巨型结构，哈尔滨建筑大学学报，1997，Vol．30，No．6，21～27
[3] 崔洪超，高层建筑钢结构在我国的发展，建筑结构学报，1997 Vol．18 No．1：60～70
[4] 张文元，巨型钢结构非线性有限元分析的塑性铰法[博士论文]，哈尔滨工业大学图书馆，1999
[5] 袁振军、张文元等，巨型桁架简体结构性能有限元分析，哈尔滨建筑大学学报，2000，Vol．33No．5 30～35
[6] 鞠笑辉，巨型钢框架结构等效模型建立方法及结构分析[硕士论文]，哈尔滨建筑大学图书馆，1996
[7] 刘开国，巨型钢框架结构的二阶分析，建筑结构，第31卷，第6期，2001年6月
[8] 蔡益燕编译，巨型钢框架弹塑性分析的等效模型，建筑结构，1993(1)49～52
[9] 李君、张耀春，超级元在巨型钢框架结构分析中的应用，哈尔滨建筑大学学报，1999：Vol．32No．138～42
[10] 袁振军，巨型桁架简体结构性能有限元分析[硕士论文]，哈尔滨建筑大学图书馆，1999
[11] 张耀春、袁振军，大型支撑框筒结构参数分析，哈尔滨建筑大学学报，第34卷，第1期，2001年2月
[12] 张耀春、陈麟，巨型柱倾斜的巨型钢框架抗震性能分析，《大型复杂结构的关键科学问题及设计理论研究》的《超高层建筑结构体系及其需要解决的力学问题》专题年度研究报告之二。上海：同济大学，2001：21～26
[13] 周晓峰、董石林，巨型钢框架结构自振特性分析，建筑结构，第31卷，第6期，2001年6月
[14] 陈荣毅，高层钢结构巨型结构体系的地震反应损伤累积研究[博士论文]，同济大学图书馆，2000
[15] 李君，巨型钢框架结构非线性静、动力分析[博士论文]，哈尔滨建筑大学图书馆，1999
[16] 沈祖炎等，《大型复杂结构的关键科学问题及设计理论研究》的《超高层建筑结构体系及其需要解决的力学问题》专题年度研究报告，上海：同济大学，2001：3～4
[17] 蓝宗建等，巨型框架多功能减振结构体系在地震和强风作用下的振动分析，现代地震工程进展，东南大学出版社，2002：668～673
[18] 中国建筑科学研究院，建筑抗震设计规范，GB50011-2001，中国建筑工业出版社，2001年10月
[19] 沈祖炎、陈荣毅，巨型结构的应用与发展，同济大学学报，第29卷，第3期，2001年3月
[20] 李国强等，强震下钢框架梁柱焊接连接的断裂行为，建筑结构学报，第19卷，第4期，1998年
[21] 沈祖炎等，结构损伤累计分析的研究现状和存在的问题，同济大学学报，第25卷，第2期，1997年
[22] 刘其祥、蔡益燕等，多高层房屋钢结构梁柱刚性连接节点的抗震设计，建筑结构，第31卷，第8期，2001年8月，9～12
[23] 何国松、方鄂华等，巨型框架节点的非线性有限元分析，清华大学学报(自然科学版)，第40卷，第11期，2000：98～101
[24] 曹力，美国钢框架结构抗震设计方法介绍，建筑结构，第31卷，第8期，2001年8月，13～15
[25] 李桢章，超高层建筑结构设计若干问题讨论，建筑结构，第10期，1998年10月，32～36
[26] 丁大钧，高层建筑结构体系(1)，工业建筑，第28卷，第1期，1998，43～47
[27] 丁大钧，高层建筑结构体系(2)，工业建筑，第28卷，第1期，1998，43～48
[28] 丁大钧，高层建筑结构体系(3)，工业建筑，第28卷，第1期，1998，50～55
[29] 丁大钧，高层建筑结构体系(1)，工业建筑，第28卷，第4期，1998，40～43
[30] 丁大钧，高层建筑结构体系(5)，工业建筑，第28卷，第5期，1998，47～51
[31] 程晓辉、钱稼茹等，高层住宅巨型框架节点受力性能试验研究，建筑结构，第10期，1998年10月，10～19
[32] 周晓峰、董石麟，巨型钢框架在强风作用下的非线性时程分析，工业建筑，第31卷，第6期，2001：60～62
[33] 董军、邓洪洲等，组合巨型框架结构振动特性研究，建筑结构，第9期，1998年9月
[34] 王肇民、邓洪洲等，高层巨型框架悬挂结构体系抗震性能研究，建筑结构学报，第20卷，第1期，1999年2月
[35] 秦卫红、惠卓等，巨型框架结构的设计方法初探，建筑结构，第31卷，第7期，2001年7月
[36] 张颖，巨型桁架筒体结构地震作用下弹性有限元分析[硕士论文]，哈尔滨工业大学图书馆，2001年7月
[37] 李国强、黄靖宇等，钢柱的空间弹塑性单元刚度方程，同济大学学报，第22卷，第4期，1994年12月，457～462
[40] 李君、张耀春，高层钢结构的非线性动力全过程分析方法，哈尔滨建筑大学学报，2000：Vol．33No．116～19
[41] 沈祖炎、李国强等，高层钢框架弹塑性地震反应简化分析模型，建筑结构，第4期，1993年，8～11
[42] 李国强、沈祖炎等，半刚性连接钢框架弹塑性地震反应分析，同济大学学报，第20卷，第2期，1992年6月，123～128
[43] 王燕、彭福明等，多高层钢框架梁柱半刚性连接性能，建筑结构，第30卷，第9期，2000年9月，18～20
[44] 张克穷、王国周等，钢框架单元恢复力模型研究，建筑结构，第8期，1998年8月，31～33
[45] 丁洁民、沈祖炎等，空间钢框架结构的弹塑性稳定，建筑结构学报，第14卷，第6期，1993年12月，42～50
[46] 李国强、沈祖炎等，钢框架弹塑性静动力反应的非线性分析模型，建筑结构学报，第11卷，第2期，1990年4月，51～59
[47] 洪庆章、刘清吉等编著，ANSYS教学范例，中国铁道出版社，2002年，北京
[48] 张令心等，《建筑钢结构抗震预研究》，中国地震局工程力学研究所与研究课题总结报告，2002年11月
[49] 陈精一、菜国忠编著，电脑辅助工程分析ANSYS使用指南，中国铁道出版社，2001年，北京
[50] 赵九江、张少实等主编，材料力学，哈尔滨工业大学出版社，1992年12月
[51] 王肇民、宗听聪等编著，钢结构设计原理，同济大学出版社，1991年6月
[52] 钟善桐主编，钢结构，中国建筑工业出版社，1988年12月
[53] 中国建筑工业出版社编辑部，现行建筑结构规范大全(第二版)，中国建筑工业出版社，1995年5月
[54] S.P. Timoshenko、J.M. Gere著，李春亮译，材料力学(1984年第二版)晓圆出版社，1992年，
北京
[55] 赵西安编著，高层结构设计，中国建筑科学研究院结构所．1995年3月
[56] C.C.Pouangare, J.J.Connor. New Structural Systems for Tall Buildings: the Space-Tress Concept. The Structural Design of Tall Buildings. 1995(4): 155～168
[57] Marsh J W. Earthquakes, Steel structures performance and design code developments. Engineering Journal, 1993, 30(20):56～65
[58] Y. Chen and Y.J. Zhang, Inelastic Deformation of Steel Frames and the Simple Prediction for Earthquake Resistant Design, The Fifth International Conference on Tall Buildings, Hong Kong, 1998: 687～692
[59] Y.L. Xu, W.S. Zhang, Modal Analysis and Seismic Response of Steel Frames with Connection Dampers, Engineering Structures, 23(2001) 385～396
[60] Sashi K. Kunnath, James O. Malley, Advances in Seismic Design and Evaluation of Steel Moment Frames: Recent Findings from FEMA/SAC Phase Ⅱ Project, Journal of Structural Engineering, April 2002. 415～419
[2] 李君、张耀春，超高层结构的新体系—巨型结构，哈尔滨建筑大学学报，1997，Vol．30，No．6，21～27
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[9] 李君、张耀春，超级元在巨型钢框架结构分析中的应用，哈尔滨建筑大学学报，1999：Vol．32No．138～42
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[13] 周晓峰、董石林，巨型钢框架结构自振特性分析，建筑结构，第31卷，第6期，2001年6月
[14] 陈荣毅，高层钢结构巨型结构体系的地震反应损伤累积研究[博士论文]，同济大学图书馆，2000
[15] 李君，巨型钢框架结构非线性静、动力分析[博士论文]，哈尔滨建筑大学图书馆，1999
[16] 沈祖炎等，《大型复杂结构的关键科学问题及设计理论研究》的《超高层建筑结构体系及其需要解决的力学问题》专题年度研究报告，上海：同济大学，2001：3～4
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[19] 沈祖炎、陈荣毅，巨型结构的应用与发展，同济大学学报，第29卷，第3期，2001年3月
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[23] 何国松、方鄂华等，巨型框架节点的非线性有限元分析，清华大学学报(自然科学版)，第40卷，第11期，2000：98～101
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[33] 董军、邓洪洲等，组合巨型框架结构振动特性研究，建筑结构，第9期，1998年9月
[34] 王肇民、邓洪洲等，高层巨型框架悬挂结构体系抗震性能研究，建筑结构学报，第20卷，第1期，1999年2月
[35] 秦卫红、惠卓等，巨型框架结构的设计方法初探，建筑结构，第31卷，第7期，2001年7月
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[60] Sashi K. Kunnath, James O. Malley, Advances in Seismic Design and Evaluation of Steel Moment Frames: Recent Findings from FEMA/SAC Phase Ⅱ Project, Journal of Structural Engineering, April 2002. 415～419