巨型钢框架结构的静力、抗震和抗风分析

【摘要】： 巨型结构是一种新型的超高层建筑结构体系，是由巨型的构件组成的简单而巨型的桁 架或框架等结构，作为高层建筑的主体结构，与其他结构构件组成的次结构共同工作的一 种结构体系。针对巨型结构的一种特定形式—巨型钢框架，本文对其静力性能、动力特性、 抗震和抗风性能等进行了较为系统、深入、全面的研究。 分析了巨型钢框架的静力性能，深入研究了结构在竖向荷载和水平荷载下传力机理、 力学特性和变形特点。尤其针对侧向力作用，探讨了主、次框架间不同连接型式对抗侧性 能的影响，并对主要设计参数发生改变后，结构受力性态的变化趋势做了深入研究。在参 数分析的基础上，对巨型钢框架结构的构件截面尺寸进行了优化分析，以期在造价最低的 目标函数下，得到最优的抗侧性能。 通过多种计算模式对巨型钢框架结构作了自振特性研究，分析了主、次框架构件截面 变化以及巨型梁布置位置、个数等因素对结构整体刚度的影响。 用振型分解反应谱法研究了结构线性抗震性能，通过对各种设计参数的分析，深入研 究了结构刚度、参与组合的振型数、地震激励的维数、模态合并方法等因素对抗震性能分 析结果的影响。 利用时程分析方法研究结构在罕遇地震作用下的弹塑性抗震性能，为解决因结构节 点、杆件数目庞大而带来的计算量巨大的问题，本文通过刚度等效连续化方法，得出巨型 钢框架等效简化计算模型，在精度保证的基础上，运算速度大大加快。为更准确地揭示巨 型钢框架的抗震性能，深入探讨了抗震设计方法，针对巨型钢框架的重要性，运用当前抗 震学界较热门的DTS结构设计理念对其进行了罕遇地震下的弹塑性时程分析。 从结构风振的基本理论出发，通过对脉动风功率谱的分析，推导了结构风振响应（顺、 横风向）的计算公式，研制并开发了相应的计算程序。对巨型钢框架抗风性能作了深入、 全面研究，探讨了顺风向风速谱的选取、风速、参与计算的振型数、风与结构耦合作用是 否考虑等因素对分析结果的影响，比较了规范风振系数的计算与随机算法结果的异同，并 讨论了原因，得出一些重要结论。 提出了巨型钢框架风振效应的时域分析方法。针对结构时程分析中的风荷载时域化问 题，以随机过程模拟技术中的线性滤波器法为理论基础，利用自回归模型（AR）模拟了作用 于结构上的脉动风荷载时程记录，作为对结构进行时程分析的输入荷载，特别根据超高层 结构的特点，在模拟中采用了随高度变化的脉动风速功率谱。 最后，对本文的研究工作进行了总结，给出研究中的一些结论，并指出进一步的研究 中亟待解决的问题。