復(fù)雜高層建筑結(jié)構(gòu)抗震分析方法簡介

季 立 炯

(同濟大學(xué)，上海 200000)

復(fù)雜高層建筑結(jié)構(gòu)抗震分析方法簡介

季 立 炯

(同濟大學(xué)，上海 200000)

簡要介紹了復(fù)雜高層建筑結(jié)構(gòu)包含的內(nèi)容，結(jié)合近現(xiàn)代抗震設(shè)計理論體系，對底部剪力法、反應(yīng)譜方法、時程分析方法、靜力彈塑性分析方法、增量動力分析方法五種復(fù)雜高層建筑結(jié)構(gòu)抗震分析方法作了比較，得出了一些有實用價值的結(jié)論。

復(fù)雜高層建筑結(jié)構(gòu)，抗震分析方法，理論，設(shè)計

1 復(fù)雜高層建筑結(jié)構(gòu)

改革開放以來，中國各地興建了大量的高層建筑，高度不斷增加，功能也越來越復(fù)雜。而中國作為一個地震多發(fā)國家，對復(fù)雜的高層建筑的抗震設(shè)計理應(yīng)更加重視。

JGJ 3—2010高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程規(guī)定了帶加強層的結(jié)構(gòu)、帶轉(zhuǎn)換層的結(jié)構(gòu)、連體結(jié)構(gòu)、錯層結(jié)構(gòu)、豎向體型收進、懸挑結(jié)構(gòu)等為復(fù)雜高層建筑結(jié)構(gòu)。建設(shè)部在2003年發(fā)布的《超限高層建筑工程抗震設(shè)防管理規(guī)定》第111號部令，從建筑的高度、平面規(guī)則性、豎向規(guī)則性三個方面定義了超限高層建筑，并對其抗震設(shè)計方法及要求做出相應(yīng)規(guī)定。

2 建筑抗震設(shè)計理論

近現(xiàn)代抗震設(shè)計理論體系大概有以下幾種：

1)靜力理論。靜力理論始于20世紀初，它假定地震力水平作用于結(jié)構(gòu)質(zhì)心，而結(jié)構(gòu)為一剛性受力體，地震力的大小為結(jié)構(gòu)重量與地震影響系數(shù)的乘積。2)反應(yīng)譜理論。反應(yīng)譜理論是于20世紀中期，是在結(jié)構(gòu)動力特性研究的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的理論，它是首次將地面振動與結(jié)構(gòu)動力特性綜合考慮的一種理論方法。目前一般計算軟件所采用的振型分解反應(yīng)譜法即屬于此類。3)動力理論。動力理論是20世紀70年代～20世紀80年代開始應(yīng)用的理論。隨著結(jié)構(gòu)的線性與非線性理論發(fā)展，以及電子計算機技術(shù)的應(yīng)用普及，人們開始可以進行更復(fù)雜而準確的計算模擬。另外動力理論也得益于地震反應(yīng)記錄的不斷增多。它把地震視作一個時間過程，輸入地震動加速度時程，計算每一時刻建筑物的地震反應(yīng)，來進行抗震設(shè)計。4)基于性能的抗震設(shè)計理論。20世紀90年代，抗震性能化設(shè)計方法成為新發(fā)展方向。所謂性能設(shè)計，即根據(jù)設(shè)定的不同的性能目標，通過計算分析找出薄弱部分，并采用加強措施。中國早期的抗震規(guī)范的“三水準”的要求，就是屬于一般情況的性能設(shè)計目標。新版GB 50011—2010建筑抗震設(shè)計規(guī)范提出的性能化設(shè)計，則更為明確，更具操作性。

3 復(fù)雜高層建筑結(jié)構(gòu)抗震分析方法比較

《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》和《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》對不同建筑結(jié)構(gòu)應(yīng)采用哪種抗震分析方法作了相應(yīng)的規(guī)定。選取正確的抗震分析方法是建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計的關(guān)鍵。

1)底部剪力法。

GB 50011—2010建筑抗震設(shè)計規(guī)范對底部剪力法的適用范圍有明確規(guī)定：

根據(jù)條文第5.1.2條第一款的規(guī)定，只有高度低于40 m，沿高度方向剛度、質(zhì)量均勻分布，且以剪切變形為主的建筑結(jié)構(gòu)，方可采用此法。底部剪力法是一種簡化的靜力計算方法，可在靜力的概念上把握結(jié)構(gòu)的抗震能力，但對于復(fù)雜高層建筑結(jié)構(gòu)，底部剪力法顯然不能正確分析地震響應(yīng)。

2)反應(yīng)譜方法。

GB 50011—2010建筑抗震設(shè)計規(guī)范規(guī)定，除了適用于底部剪力法的結(jié)構(gòu)外，其他均宜采用振型分解反應(yīng)譜法。

反應(yīng)譜法考慮了地震動特征和結(jié)構(gòu)自身動力特性之間的關(guān)系，并將復(fù)雜的動力問題靜力化。在振型組合時，當(dāng)相鄰振型的周期比為0.85時，耦聯(lián)系數(shù)大約為0.27，采用SRSS方法進行振型組合誤差較小。但當(dāng)結(jié)構(gòu)各振型頻率較接近時，SRSS的計算會有較大誤差，此時應(yīng)采用CQC方法。

反應(yīng)譜法實為一種擬靜力方法，無法反映地震動時間性和結(jié)構(gòu)非線性的影響，也無法找出薄弱部位。

3)時程分析方法。

GB 50011—2010建筑抗震設(shè)計規(guī)范規(guī)定，甲類建筑、特別不規(guī)則的建筑、高度超限的建筑，應(yīng)采用時程分析法。

時程分析法，是一種依據(jù)材料及構(gòu)件的性能對結(jié)構(gòu)動力方程求解的方法。該法綜合考慮了場地環(huán)境以及地震動頻率、持時、振幅三要素的影響進行結(jié)構(gòu)的非線性分析，是一種真正的動力分析方法。但是時程分析法需要輸入實際或人工模擬地震波，而不同的地震波所引起的結(jié)構(gòu)反應(yīng)差別很大。因此在工程實際應(yīng)用中，當(dāng)無合適地震波時，較難保證結(jié)果的準確性。同時，該方法計算量大，因此一般作為反應(yīng)譜法等其他簡化分析方法的補充，以校核結(jié)構(gòu)薄弱部位，分析能力損傷，避免大震倒塌等。

4)靜力彈塑性分析方法。

《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》規(guī)定了對于特定的建筑結(jié)構(gòu)需進行彈塑性變形分析。如今，靜力彈塑性分析方法(Pushover)已成為抗震性能分析的常用方法。

Pushover分析方法是將單調(diào)增加的水平荷載，通過一定模式施加在結(jié)構(gòu)上，進行非線性靜力分析。通用建立能力譜和需求譜曲線，以確定結(jié)構(gòu)性能點，并對結(jié)構(gòu)位移、構(gòu)件變形等進行評價。在水平荷載施加的推覆過程中，注意塑性鉸出現(xiàn)的順序及狀態(tài)，并在設(shè)計中采用局部加強措施保證結(jié)構(gòu)的彈塑性性能滿足要求。

5)增量動力分析方法。

增量動力分析(IDA)方法是一種評價結(jié)構(gòu)抗震性能的動力分析方法，近幾年才逐漸被應(yīng)用于工程實際。它是一種基于彈塑性時程分析結(jié)果的參數(shù)分析方法。IDA方法是將地震動的加速度與一系列比例系數(shù)(scale factor)相乘，從而得出多組不同強度的地震動，然后在此地震動基礎(chǔ)上，對結(jié)構(gòu)進行非線性、動力時程分析。通過繪制地震動強度(ground motion intensity measure)曲線、結(jié)構(gòu)性能參數(shù)(damage measure)，進而得出在地震作用下，結(jié)構(gòu)破壞的全過程。

IDA方法相比于Pushover，引入了增量動力概念，故也稱之為“動力推覆方法”。

4 結(jié)語

結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計中，各種分析方法有著各自的優(yōu)缺點和適用條件。簡單來說，底部剪力法是最簡化的方法，計算量小，但適用條件有限；振型分解反應(yīng)譜法概念明確，計算也較便捷，是目前最通用的抗震設(shè)計計算方法，但忽略了地震的動力特性，在高層復(fù)雜結(jié)構(gòu)抗震計算方面存在問題；時程分析法在計算理論上更合理，但需要足夠多并且合理的地震時程波輸入，計算量大，效率低；靜力彈塑性分析方法和動力增量法可進行建筑的彈塑性分析，能反映結(jié)構(gòu)的非線性變形情況，是性能化設(shè)計的必要手段。其中靜力彈塑性分析方法計算量相對較小，能較快地對結(jié)構(gòu)的抗震性能做出評估，但不能解決復(fù)雜不規(guī)則、超高層及長周期結(jié)構(gòu)的問題。在各種彈塑性分析方法，理論上來說，動力增量分析方法是最精確的。但同動力時程分析方法一樣，也存在計算量大、阻尼比難以精確確定、地震波選擇困難等缺點。

[1] JGJ 3—2010，高層混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程[S].

[2] GB 50011—2010，建筑抗震設(shè)計規(guī)范[S].

[3] 周 穎，呂西林，卜 一.增量動力分析法在高層混合結(jié)構(gòu)性能評估中的應(yīng)用[J].同濟大學(xué)學(xué)報，2010(2)：53-55.

[4] 徐培福，傅學(xué)怡，王翠坤，等.復(fù)雜高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2005．

Briefly introduction of structure seismic analysis method of complex high-rise buildings

Ji Lijiong

(TongjiUniversity,Shanghai200000,China)

This paper briefly introduced the contents including in complex high-rise building structure, combining with the modern seismic design theory system, compared the bottom shear method, response spectrum method, time history analysis method, incremental dynamic analysis method five kinds of complex tall building structure seismic analysis methods, got some valuable conclusion.

complex high-rise building structure, seismic analysis method, theory, design

2014-11-28

季立炯(1971- )，男，高級工程師

1009-6825(2015)04-0027-02

TU352

A