高層建筑結(jié)構(gòu)剛度退化與地震作用響應關系的理論分析

吳鎮(zhèn)平

【摘要】隨著經(jīng)濟的發(fā)展和城鎮(zhèn)化步伐的加快，高層建筑在世界范圍內(nèi)急劇增多，我國成為高層建筑興建的主要區(qū)域。建筑工藝的提升和人們對于建筑形態(tài)的多樣化需求，使得高層建筑的結(jié)構(gòu)變得更加復雜。高層建筑在興建過程中，對于結(jié)構(gòu)剛度要求更加嚴格，必須在高層建筑興建過程中對抗震性能進行關注。本文將在理論分析的角度，對高層建筑結(jié)構(gòu)剛度退化與地震作用響應關系進行分析，為高層建筑抗震性能設計提供有益的參考。

【關鍵詞】高層建筑結(jié)構(gòu)；剛度退化；抗震性能

前言

隨著建筑工藝的不斷發(fā)展和進步，高層建筑的結(jié)構(gòu)和功能更加多樣化，結(jié)構(gòu)剛度與高層建筑的抗震設計具有十分緊密的聯(lián)系。高層建筑在進行設計的過程中，要對抗震性能進行特別的注意，通常會采用彈塑性分析法進行設計，在綜合衡量各種影響因素的基礎上，確保高層建筑抗震性能的可靠性。高層建筑結(jié)構(gòu)剛度退化與地震響應之間具有緊密的聯(lián)系，剛度退化將會使高層建筑的內(nèi)力響應和位移響應同樣發(fā)生變化。

一、高層建筑結(jié)構(gòu)剛度概述

所謂結(jié)構(gòu)剛度，是指建筑結(jié)構(gòu)本身所固有的性質(zhì)之一，通常會在荷載作用下發(fā)生變形，抵抗一定的形變壓力。高層建筑在設計和興建過程中，必須對建筑結(jié)構(gòu)的剛度進行精密的分析，才能為高層建筑提供更好的抗震性能[1]。高層建筑的抗震結(jié)構(gòu)，必須具備剛度抗側(cè)力系統(tǒng)，對結(jié)構(gòu)的側(cè)向變形進行控制，直接承受地震引起的作用，避免地震對高層建筑的非結(jié)構(gòu)構(gòu)件造成損傷，實現(xiàn)高層建筑的抗震性能。根據(jù)《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》的規(guī)定，高層建筑的抗震設計可以在性能層面進行系統(tǒng)的研究，并對性能目標、地震動水準、性能水準組合等方面進行了細致的規(guī)定[2]。高層建筑在抗震設計的實踐過程中必須嚴格按照國家規(guī)定執(zhí)行，采用先進的技術(shù)和分析方法對抗震性能進行設計，其中彈塑性分析法是抗震性能設計中使用的重要手段，在高層建筑的結(jié)構(gòu)設計中具有比較廣泛的應用。此方法在分析過程中會受到多種因素的影響，使其計算結(jié)果產(chǎn)生誤差，比如阻尼取值、材料模型、操作失誤等因素，所以必須在設計過程中對分析結(jié)果進行合理的評判。

二、高層建筑結(jié)構(gòu)地震作用響應的影響因素

（一）高層建筑結(jié)構(gòu)抗震設計分析評價指標

高層建筑結(jié)構(gòu)在進行基于性能的抗震設計時，通常采用彈塑性分析方法，在對高層結(jié)構(gòu)進行抗震評估時，必須對其宏觀指標進行關注。評價指標通常可以分為內(nèi)力響應指標和變形響應指標兩種，在抗震結(jié)構(gòu)設計時，這兩個指標的可靠性十分重要。彈塑性分析結(jié)果需要對內(nèi)力響應指標和變形響應指標進行判斷，根據(jù)國家相關規(guī)定，對計算模型和計算結(jié)果判斷進行全面的評估[3]。通常認為高層建筑結(jié)構(gòu)在進入彈塑性變形階段之后，經(jīng)過薄弱部位之時，會出現(xiàn)一定程度的塑性變形，這時這個樓層的層間位移比假定計算得出的層間位移要大。假定計算是按照相同的阻尼比對高層建筑結(jié)構(gòu)的理想彈性進行了假定，計算其在發(fā)生大型地震之時出現(xiàn)的層間位移，如果分析得到的數(shù)值小于計算得出的數(shù)值，則需要對位移數(shù)據(jù)的合理性進行反復的核查與判斷。也就是說，通過彈塑性分析方法對高層建筑的薄弱層進行分析，所得出的層間位移角要比彈性假定計算結(jié)果大，但是在實際的高層建筑建設過程中，薄弱層的層間位移角的變化需要根據(jù)工程的具體情況而定，并不確定在彈塑性分析中其大小變化。

（二）結(jié)構(gòu)地震作用響應變化的影響因素

在罕遇地震的作用之下，高層建筑的結(jié)構(gòu)會發(fā)生一定程度的損傷，并且隨著損傷結(jié)構(gòu)的發(fā)展，高層建筑結(jié)構(gòu)會在變化基礎上做出不同的地震作用響應。如果地震程度相同，通常會有兩個因素對結(jié)構(gòu)地震作用響應變化產(chǎn)生影響，一個因素是高層建筑的結(jié)構(gòu)剛度，還有一個因素是阻尼[4]。在地震作用之下，高層建筑的結(jié)構(gòu)會發(fā)生不同程度的損傷，而結(jié)構(gòu)損傷發(fā)生之后，結(jié)構(gòu)的剛度將會出現(xiàn)明顯的下降，導致高層建筑的自振周期與原來相比較長，從而影響地震內(nèi)力響應程度。高層建筑結(jié)構(gòu)發(fā)生了塑性變形，在此過程中會消耗一定的能量，使得高層建筑結(jié)構(gòu)的內(nèi)力響應與位移響應出現(xiàn)不同程度的降低，可以將這種能量耗散用等效阻尼的形式進行表示。

等效阻尼與高層建筑的剛度折減系數(shù)之間具有一定的聯(lián)系，等效阻尼會隨著結(jié)構(gòu)剛度的退化而增加，也就是在高層建筑的結(jié)構(gòu)剛度退化時，彈塑性耗能的等效阻尼比會增加，當結(jié)構(gòu)剛度退化到快要結(jié)束之時，等效阻尼比將在一定程度上減小。在彈塑性耗能發(fā)生過程中，耗能的能力與結(jié)構(gòu)發(fā)生的形變具有很大的關系，同時也與力呈現(xiàn)一定的相關性，使得高層建筑結(jié)構(gòu)遭到嚴重的破壞之后，滯回環(huán)變長。

三、剛度退化與地震作用響應之間的關系分析

高層建筑結(jié)構(gòu)剛度退化率與剛度折減系數(shù)會在一定程度下發(fā)生重合，當結(jié)構(gòu)剛度系數(shù)小于0.6時，剛度退化率所對應的曲線差別會逐漸增大。通常情況下，在罕遇地震的作用下，要求高層建筑結(jié)構(gòu)在設計時，剛度折減系數(shù)應該在.06以上，在這個變化范圍之內(nèi)，剛度退化率對阻尼比不會產(chǎn)生太大的影響。在對剛度折減系數(shù)與地震內(nèi)力響應和位移響應之間存在的關系時，可以假設高層建筑結(jié)構(gòu)的總體質(zhì)量不發(fā)生改變，對剛度和阻尼的變化進行研究。通過對彈塑性耗能的等效阻尼比進行分析，可以發(fā)現(xiàn)在地震作用之下，剛度與阻尼與地震作用響應之間的關系。

在對高層建筑結(jié)構(gòu)的剛度退化進行計算時，需要對不同的參數(shù)進行確定，其中包括建筑結(jié)構(gòu)的自振周期參數(shù)，也包含場地特征周期參數(shù)，還包括初始的阻尼比參數(shù)。通過這三個參數(shù)，可以對結(jié)構(gòu)的高度、場地振動參數(shù)以及材料類型進行反映，并在此基礎上研究其對結(jié)構(gòu)響應的影響規(guī)律[5]。高層建筑的剛度折減系數(shù)降低之后，結(jié)構(gòu)的地震內(nèi)力響應也會出現(xiàn)逐漸降低的情況，高層建筑結(jié)構(gòu)的地震內(nèi)力響應可以用基底總剪力進行表示。高層建筑結(jié)構(gòu)的自振周期不同，會對內(nèi)力響應造成較大的影響，在剛度折減系數(shù)相同的情況下，自振周期長時，內(nèi)力響應會在較小的幅度內(nèi)下降。

高層建筑的結(jié)構(gòu)特征周期不同，結(jié)構(gòu)地震內(nèi)力響應的下降程度也會有所不同，在結(jié)構(gòu)剛度折減情況一致時，場地周期較長，內(nèi)力響應將會出現(xiàn)十分明顯的下降情況。初始阻尼比對彈塑性分析之中的結(jié)構(gòu)內(nèi)力響應和位移響應具有不同程度的影響，當初始阻尼比不同時，結(jié)構(gòu)內(nèi)力響應會出現(xiàn)降低，而位移響應則會在一定程度上放大。通過理論分析的方法，可以對高層建筑結(jié)構(gòu)剛度退化與地震作用響應之間的關系進行闡述，但是在實際的高層建筑興建過程中，地震作用響應不只受到結(jié)構(gòu)剛度的影響，同時也會受到地震波輸入等其他因素的影響，所以在高層建筑的實際設計與建設過程中，需要根據(jù)具體的問題進行具體的分析，提高高層建筑的抗震性能，使我國的建筑水平呈現(xiàn)整體上的提升。

結(jié)束語

高層建筑在現(xiàn)代化城市建設之中具有重要地位，是一個地區(qū)發(fā)展成熟的標志之一，我國高層建筑數(shù)量逐漸增多，對高層建筑的結(jié)構(gòu)性能也提出了更高的要求。高層建筑結(jié)構(gòu)剛度退化與地震作用響應之間具有緊密的聯(lián)系，在高層建筑結(jié)構(gòu)抗震性能設計過程中，需要對內(nèi)力響應、位移響應等影響因素進行準確的評估，根據(jù)評估結(jié)果對高層建筑的結(jié)構(gòu)抗震性能進行合理的設計，提高高層建筑結(jié)構(gòu)的總體質(zhì)量水平。

參考文獻

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