文章编号:1009-6825(2007)16-0078-02

当代高层建筑结构的抗震分析

曹洪滨

摘 要:通过对现代高层建筑结构抗震的分析与研究,提出了对高层建筑结构抗震控制的新研究和方法,以促进高层建

筑结构的抗震工作,从而研究出更加齐备的高层建筑抗震、设防设施与装置。

关键词:高层建筑,时程分析法,弹塑性静力分析,结构

中图分类号:TU973.31

随着我国市场经济的繁荣和城市化建设步伐的加大,高层建

筑发展迅速,其结构体系日趋多样化,建筑平面布置与竖向体形

也越来越复杂,这就给高层建筑结构的抗震分析和设计提出了更

高的要求。进入20世纪90年代后,结构抗震分析和设计已提到

各国建筑设计的日程,特别是我国处于地震多发区,高层建筑抗

震设防更是工程设计面临的迫切任务。作为工程抗震设计的依

据,高层建筑的抗震分析与研究处于非常重要的地位。文献标识码:A沿高度呈一定分布的楼层水平荷载,水平荷载施加于各楼层的质心处,逐渐单调增加侧向力。随着荷载逐步增大,某些杆端屈服,出现塑性铰,直至塑性铰足够多或层间位移角足够大,刚好使一个或者一批构件进入屈服状态为宜;3)对于上一步进入屈服的构件,改变其状态,形成一个/新0的结构,修改结构的刚度矩阵并求出/新0结构的自振周期。不断重复第二步直到结构的侧向位移达到预定的目标位移,或是结构变成为机构。记录每一步的结构

自振周期并累计每一步施加的荷载;4)将每一个不同的结构自振

周期及其对应的水平力总量与结构自重(重力荷载代表值)的比

值(地震影响系数)绘成曲线,也把相应场地的各条反应谱曲线绘

在一起,以此来评估结构的抗震。

弹塑性静力分析方法,能近似地反映结构在地震作用下的弹

塑性性能,可以了解结构中每个构件的内力和承载力的关系以及

各杆件承载力间的相互关系,检查是否符合强柱弱梁(或强剪弱

弯),并可发现塑性铰出现的顺序和位置、设计的薄弱部位及可能

的破坏机制,还可得到不同受力阶段的侧移变形,给出底部剪力

)顶点侧移关系曲线以及层剪力)层间变形关系曲线等。因此

Push-over方法近年来受到了普遍关注,但目前Push-over方法主

要运用于第一振型控制为主的中高层建筑,如何使该方法能反应

高阶振型的影响,还一直是研究工作者们所致力追求的目标。1 高层建筑结构抗震分析与研究的主要内容在强烈罕遇地震作用下,抗震结构都会部分进入塑性状态。即总体结构将进入弹塑性阶段,结构刚度发生变化,并出现塑性内力重分布。弹性静力法概念简单,忽略了结构的动力特性和结构的非刚性等重要特性,只适用于固有周期很小的结构,对很多高层建筑和具有一定柔性的结构会产生较大的误差。所以为了满足地震作用下结构的功能要求,有必要对高层建筑结构进行弹塑性分析,并研究和计算结构的弹塑性变形能力。结构弹塑性分析可分为弹塑性动力分析(时程分析)和弹塑性静力分析(推力计算)两大类。1.1 时程分析方法结构地震反应的弹塑性动力时程分析法,是将建筑物作为弹

塑性振动系统,直接输入地面地震加速度记录,考虑结构的弹塑

性性能,依据结构弹塑性恢复特性建立动力方程,对运动方程直

接积分,从而获得系统各质点的位移、速度、加速度和结构构件地

震剪力的时程变化曲线,从而能够描述结构在强震作用下,在弹

性和非弹性阶段的内力变化,以及结构构件逐步开裂、屈服、损坏

直至倒塌的全过程。由于时程分析法考虑了地震动的峰值、频谱

特性和持续时间三要素以及结构的动力特性等重要因素,因而该

方法能比较准确完整地反映出结构在强烈地震作用下反应的全

过程状况。所以到目前为止,时程分析法被认为是进行抗震变形

验算和震害分析最为精确可靠的方法。然而由于地震的随机性

和结构性能的复杂性,以及这种时程分析法前后数据处理工作繁

冗,要求设计人员具有较高水平的专业知识,而且计算结果受地

震波的影响较大,不存在唯一答案,有时难以判断,所以使其在工

程实践的具体运用远远落后于时程分析法的理论研究。2 高层建筑结构抗震控制的新研究与应用2.1 用流体阻尼器连接的耦联结构体系为了提高相邻建筑物的抗震性能并防止它们之间相互碰撞,可采用控制装置来连接相邻建筑物以减少地震反应。吕西林等对于这种耦联结构体系的抗震控制问题进行了系统的理论与试验研究,试验研究表明:只要采用具有合适参数的流体阻尼器在适当的位置连接具有不同自振频率的相邻结构,能够在两结构自振频率变化很小的情况下,增大两结构的振型阻尼比,并且减少地震反应。接着,采用通用有限元分析程序ANSYS对试验模型进行了数值计算,进而提出了一个标准化的两层计算模型,用来模拟高塔楼和矮裙房相连接的情况,推导了其运动方程,并进行了广泛的参数分析,为其工程应用打下了基础。该控制方法已在上海世贸国际广场中得到了应用,采用40个60t的粘滞流体阻

尼器连接主楼和裙房及广场。1.2 弹塑性静力分析方法

20世纪90年代中期一些国家的学者相继提出弹塑性静力分

析方法(Push-over方法)进行结构抗震分析。Push-over方法作为

结构地震响应分析的简化方法,并非创新,但有较多优点。弹塑

性静力分析法的实施步骤大致如下:1)建立结构的模型,采用空

间协同平面结构模型,并求出结构在竖向荷载作用下的内力,以

便和水平荷载作用下的内力进行组合;2)在结构上施加一定量的

收稿日期:2007-01-262.2 新型TMD(调谐质量阻尼器)控制系统的研制结构调谐振动控制装置有多种:调谐质量阻尼器(TunedMassDampers,TMD)、调谐液体阻尼器(TunedLiquidDampers,TLD)或调谐晃荡阻尼器(TunedSloshingDampers,TSD)、质量泵(MassPumps,MP)、摆式质量阻尼器、液体)质量控制器等。其中,TMD是调谐振动控制中的重要形式。TMD控制系统因无需

作者简介:曹洪滨(1963-),男,讲师,辽宁工程技术大学职业技术学院,辽宁阜新 123000