對(duì)高聳塔體結(jié)構(gòu)抗震動(dòng)力互相作用分析

文/王鴻成 內(nèi)蒙古電力勘測(cè)設(shè)計(jì)院有限責(zé)任公司 內(nèi)蒙古呼和浩特 010020

對(duì)高聳塔體結(jié)構(gòu)抗震動(dòng)力互相作用分析

文/王鴻成 內(nèi)蒙古電力勘測(cè)設(shè)計(jì)院有限責(zé)任公司 內(nèi)蒙古呼和浩特 010020

基于對(duì)地震災(zāi)害的認(rèn)識(shí)，對(duì)于高聳塔體的研究要采用模型實(shí)驗(yàn)和計(jì)算分析相結(jié)合得方法。高聳塔體結(jié)構(gòu)抗震研究中地基成為影響建筑物自身抗震的關(guān)鍵，除此之外，還有水體和結(jié)構(gòu)自振因素。只有對(duì)它們進(jìn)行多質(zhì)點(diǎn)簡(jiǎn)化體系模型分析，才能增強(qiáng)高聳塔型建筑的抗震功能。

高聳塔體；結(jié)構(gòu)抗震；動(dòng)力分析

對(duì)于高聳塔體結(jié)構(gòu)的抗震研究，可以有效減少地震對(duì)于高聳建筑物的破壞作用。在我國(guó)，許多高聳建筑物的設(shè)計(jì)及施工過(guò)程中，首要考慮的因素就是建筑結(jié)構(gòu)受力分析以及抗震能力評(píng)價(jià)。由于高聳塔體結(jié)構(gòu)抗震性能的好壞決定了該建筑物的整體施工水平和質(zhì)量，所以做好高聳塔體結(jié)構(gòu)抗震研究對(duì)施工建筑具有重大意義。

1、高聳塔體結(jié)構(gòu)抗震的重要性

在各種自然災(zāi)害對(duì)建筑物破壞的記錄中，破壞最為嚴(yán)重的就是地震。對(duì)于新建筑物進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)和對(duì)已建成的建筑進(jìn)行抗震等級(jí)評(píng)估是必要的。高聳塔體結(jié)構(gòu)用途廣，遍及各行各業(yè)的建筑之中。自21世紀(jì)以來(lái)，建筑行業(yè)發(fā)展速度越來(lái)越快，高層建筑越來(lái)越高，對(duì)于自身承載能力的要求，勢(shì)必要求高聳建筑圖紙?jiān)O(shè)計(jì)上，減輕結(jié)構(gòu)自身重量，優(yōu)化并產(chǎn)生新合理的結(jié)構(gòu)體系和形式。而對(duì)于高聳建筑的一些特殊動(dòng)力學(xué)問(wèn)題的研究，尤其是高聳結(jié)構(gòu)的復(fù)雜動(dòng)力相互作用要有充分的分析和研判性。對(duì)高聳塔體進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析與抗震分析，可以有效降低因地震造成的損害。

在目前的高聳結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程中，特別是受力分析與抗震能力評(píng)價(jià)成為首要考慮因素。傳統(tǒng)的基于材料力學(xué)的設(shè)計(jì)方案，許多影響因素沒(méi)有被考慮進(jìn)去，而且多以固定地基模型的角度，對(duì)高聳塔體的風(fēng)振反應(yīng)和地震響應(yīng)成為主要研究方向。其中應(yīng)該有必要以高聳結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化力學(xué)模式作為研究前提下，進(jìn)行塔體結(jié)構(gòu)多質(zhì)點(diǎn)簡(jiǎn)化體系，進(jìn)行塔體結(jié)構(gòu)抗震研究。

2、分類(lèi)和特點(diǎn)

高聳結(jié)構(gòu)的分類(lèi)主要是從物理模型的角度進(jìn)行劃分，高聳結(jié)構(gòu)是高度和橫向尺寸較大的構(gòu)筑物。正是由于橫向符合在承載方面占主導(dǎo)作用，所以結(jié)構(gòu)可以分為自立式和拉線式二種。自立式結(jié)構(gòu)根植于地面，其對(duì)地面地基的依賴度較高。拉線式、桅式結(jié)構(gòu)則是通過(guò)纖繩的扶持以及地基的作用達(dá)到豎立狀態(tài)。塔式結(jié)構(gòu)主要以鋼筋混凝土為主要建筑材料，塔身多以圓形為主可以減少風(fēng)的阻力以及增加剛度并且可以降低施工成本。

3、塔體結(jié)構(gòu)抗震動(dòng)力互相作用分析情況

3.1 研究方法方面

對(duì)于高聳塔體結(jié)構(gòu)研究的方法主要有模型實(shí)驗(yàn)和計(jì)算分析方法。

1）模型實(shí)驗(yàn)方法

一方面可以為互相作用研究提供真實(shí)可靠的數(shù)據(jù)，另一方面可以彌補(bǔ)理論分析在實(shí)踐中的不足。動(dòng)力互相作用實(shí)驗(yàn)中，由于無(wú)限地基輻射抗模擬和室內(nèi)模型試驗(yàn)都對(duì)結(jié)構(gòu)動(dòng)力性質(zhì)的研究和分析造成困難。原型試驗(yàn)通過(guò)激振試驗(yàn)以及強(qiáng)震觀測(cè)來(lái)獲得塔體結(jié)構(gòu)的強(qiáng)震觀測(cè)資料以及互相作用產(chǎn)生的效應(yīng)。模型實(shí)驗(yàn)在高聳塔體結(jié)構(gòu)抗震動(dòng)力互相作用分析試驗(yàn)上，不能依照原圖進(jìn)行建設(shè)，然后再進(jìn)行抗震研究，所以模型實(shí)驗(yàn)方法在高聳塔體抗震研究上有局限性，不能對(duì)塔體進(jìn)行整體研究和實(shí)驗(yàn)。

2)計(jì)算分析方式方法

正是由于對(duì)于高聳塔體的抗震分析不能完全采取模型實(shí)驗(yàn)演示的方式，所以要采用計(jì)算分析方式進(jìn)行分析。伴隨著電子計(jì)算技術(shù)的快速發(fā)展，出現(xiàn)了以數(shù)值計(jì)算為主的研究結(jié)構(gòu)動(dòng)力相互作用的方法。

對(duì)于塔體結(jié)構(gòu)的地基部分進(jìn)行動(dòng)力相互作用分析時(shí)，對(duì)地基阻抗建立簡(jiǎn)化力學(xué)模型的同時(shí)，在時(shí)域上進(jìn)行動(dòng)力計(jì)算。將高聳塔體地基簡(jiǎn)化為與頻率無(wú)關(guān)的質(zhì)量塊、阻尼器以及彈簧等物理元件組成的多自由度集總參分?jǐn)?shù)體系。將模型實(shí)驗(yàn)和計(jì)算分析方法綜合運(yùn)用。

3.2 結(jié)構(gòu)力學(xué)原理方面

在一般的工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，對(duì)于地震荷載計(jì)算主要受到計(jì)算方法、強(qiáng)度指標(biāo)以及安全系數(shù)限制。結(jié)構(gòu)力學(xué)原理主要考慮高聳結(jié)構(gòu)體在水平剪力和彎矩作用下的變形，從而建立起多質(zhì)點(diǎn)簡(jiǎn)化體系模型。較以新技術(shù)，如有限元等為基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)方法簡(jiǎn)便，并易于采用?；诮Y(jié)構(gòu)力學(xué)方法的基本原理，高聳結(jié)構(gòu)體主要考慮在水平剪力及彎矩作用下的變形問(wèn)題，運(yùn)用多質(zhì)點(diǎn)簡(jiǎn)化體系模型進(jìn)行抗震分析，在塔體受力分析與抗震能力評(píng)價(jià)過(guò)程中占有重要的地位。

3.3 塔體結(jié)構(gòu)研究重點(diǎn)

利用高聳結(jié)構(gòu)體多質(zhì)點(diǎn)簡(jiǎn)化分析模型，以附加項(xiàng)的辦法對(duì)大小不一的地基模型進(jìn)行結(jié)構(gòu)動(dòng)力分析，建立了統(tǒng)一的地基簡(jiǎn)化處理模式。

1）地基模型結(jié)構(gòu)動(dòng)力分析

高聳塔體結(jié)構(gòu)體的多質(zhì)點(diǎn)簡(jiǎn)化分析模型是一種全套的處理模式，用結(jié)構(gòu)動(dòng)力矩陣附加項(xiàng)形式，把不同地基模型整合而建立起簡(jiǎn)化地基模型處理方式。在設(shè)計(jì)施工中，應(yīng)該重視高聳塔體地基對(duì)結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)的明顯影響，須選擇比較適合的地基模型進(jìn)行計(jì)算分析。

2）結(jié)構(gòu)自振影響因素

在高聳塔體結(jié)構(gòu)的抗震動(dòng)力互相作用中，須考慮水體對(duì)自身結(jié)構(gòu)自振頻率影響關(guān)系，當(dāng)水位越高平率越低。反之，當(dāng)水位越低平率越高。

場(chǎng)地土剪切波速的減少，彈性地基結(jié)構(gòu)互相作用下就會(huì)出現(xiàn)高聳塔體結(jié)構(gòu)自振頻率降低情況出現(xiàn)，周期同時(shí)變大。

高聳塔體的建筑場(chǎng)地土的土質(zhì)不同，對(duì)結(jié)構(gòu)的自振特性也有很大關(guān)系，場(chǎng)地土質(zhì)越軟結(jié)構(gòu)自振周期幅度增加。

3)水體因素

塔體底部不同水位條件下，塔體結(jié)構(gòu)各高程處的變形有明顯不同。水體與塔體薄壁結(jié)構(gòu)動(dòng)力，二者有一定關(guān)聯(lián)性，塔體薄壁結(jié)構(gòu)位移與峰值的加速度變化呈線性增長(zhǎng)趨勢(shì)的部分，其主要是在高聳塔體的水面上方。而水位線以下,剪切內(nèi)力峰值呈現(xiàn)明顯的三角線性增大趨勢(shì)，而彎矩內(nèi)力峰值也是快速增長(zhǎng)狀態(tài)，基本中下部水體都呈現(xiàn)近似矩形的分布特性。

對(duì)于高聳塔體結(jié)構(gòu)抗震動(dòng)力互相作用的分析要確立研究方法和研究思路。了解其結(jié)構(gòu)原理以及塔體結(jié)構(gòu)研究的重點(diǎn)——地基。對(duì)于高聳塔體結(jié)構(gòu)的自振特性影響因素有一定的了解。處理以上這些能夠影響塔體結(jié)構(gòu)抗震動(dòng)力相互作用外，如風(fēng)的阻力和侵蝕、選用材質(zhì)特性以及施工水平和操作技術(shù)等等，這些都能夠影響塔體結(jié)構(gòu)抗震動(dòng)力互相作用的結(jié)果。

結(jié)語(yǔ)：

基于對(duì)地震對(duì)建筑物的破壞力之大，對(duì)于高聳塔體結(jié)構(gòu)抗震動(dòng)力互相作用的分析是十分必要的。在分析抗震動(dòng)力互相作用時(shí)，影響抗震動(dòng)力的因素很多，如地基、水體以及結(jié)構(gòu)自振方面。所以對(duì)于結(jié)構(gòu)抗震動(dòng)力互相作用研究必須基于多質(zhì)點(diǎn)簡(jiǎn)化體系模型進(jìn)行抗震分析。

[1]肖琴.高聳塔體結(jié)構(gòu)抗震分析的動(dòng)力相互作用研究[D].大連理工大學(xué),2008.

[2]李建波,肖琴,林皋.高聳塔體結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)的動(dòng)力相互作用模型研究[J].世界地震工程,2010,02:7-12.

[3]李春林.高聳結(jié)構(gòu)風(fēng)振響應(yīng)分析研究[D].廣州大學(xué),2007.