抗震分析与设计在高层建筑结构中的应用

1、抗震分析与设计在高层建筑结构中的应用摘 要：对抗震分析与设计在高层建筑结构中的应用进行 了介绍。主要分析了现行规范抗震分析与设计的内容、我国 高层建筑抗震抗震分析与设计中常见问题以及抗震分析与设 计的新趋势。关键词：抗震分析；高层建筑；结构1现行规范抗震分析与设计的内容我国现行抗震规范要求高层建筑的抗震计算 主要是在多遇地震作用下，按反应谱理论计算地震作用，用弹性方法 计算内力及位移，并用极限状态方法设计构件。对于重要建 筑或有特殊要求时，要用时程分析法补充计算，并进行罕遇 地震作用下（大震）的变形验算。这种先用多遇地震作用进 行结构设计，再校核罕遇地震作用下结构弹塑性变形的方法， 即二阶段设

2、计方法。同时规范还规定了结构在罕遇地震作用 下的弹塑性变形的结构弹塑性分析方法。结构弹塑性分析可分为弹塑性动力分析和弹塑性静力分 析两大类。弹塑性动力分析，采用杆模型和层模型等简化的 结构计算模型。杆模型计算的优点是可以得到杆件状态随时 间的变化过程，也可得到各楼层的反应。但耗时多、费用昂 贵、结果数据量大且分析比较繁冗，在国外也极少采用。层 模型计算能得到各楼层的反应，例如层剪力、楼层侧移和层 间转角、层间位移延性比等，它主要是从宏观上即层间变形 检验结构在大震作用下的安全性。层模型计算的数据相对较 少，适宜于进行宏观检验，也便于计算多条地震波作用。但 无论是采用杆模型还是层模型进行弹塑性时

3、程分析，计算结 果受地震波的影响较大且不存在唯一答案，有时难以判断。上世纪九十年代中期一些学者相继提出弹塑性静力分析 方法用于结构抗震分析。 这种方法并非创新， 但有较多优点 由弹塑性静力分析，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，并可发现设计的薄弱部位；还可得到不同受力阶段 的侧移变形，给出“底部剪力一预点侧移 ”关系曲线以及“层剪力一层间变形”关系曲线等等。后者即可作为各楼层 的“层剪力一层间位移”骨架线，它是进行层模型弹性时程 分析所必须的参数。只要结构一定，其结果不受地震波的影 响，只与初始楼层水平荷载的分布有关。2我国高层建筑

4、抗震抗震分析与设计中常见问题2.1高度问题按我国现行高层建筑混凝土结构技术规程规定综合 考虑 经济 与适用的原则，给出了各种常见结构体系的最大 适用高度。这个高度是在我国目前建筑科研水平、经济发展水平科学谨和施工技术水平下，较为稳妥的，也是与目前整个土木工程 规范体系相协调的。对于超高限建筑物，应当采取慎的态度。因为在地震力作用下，超高限建筑物的变形破坏 性态会发生很大的变化，随着建筑物高度的增加，许多影响 因素将发生质变，即有些参数本身超出了现有规范的适宜范 围，如安全指标、延性要求、材料性能、荷载取值、力学模 型选取等。2.2结构体系问题在地震多发区，采用何种建筑材料或结构体系较为合理 应

5、该得到人们的重视。我国150m以上的建筑，采用的三种主要结构体系（框一筒、筒中筒和框架一支撑），这些也是其他国家高层建筑采用的主要体系。但国外特别在地震区，是 以钢结构为主，而在我国钢筋混凝土结构及混合结构占了 90%。如此高的钢筋混凝土结构及混合结构，国内外都还没 有经受较大地震作用的考验。混合结构的钢筋混凝土内筒往 往要承受80%以上的地震作用剪力， 有的高达90%以上。由 于结构以钢筋混凝土核心筒为主，变形控制要以钢筋混凝土 结构的位移限值为基准。但因其弯曲变形的侧移较大，靠刚 度很小的钢框架协同工作减小侧移，不仅增大了钢结构的负 担，而且效果不大，有时不得不加大混凝土筒的刚度或设置 伸

6、臂结构，形成加强层才能满足规范侧移限值。此外，在结 构体系或柱距变化时，需要设置结构转换层。加强层和转换 层都在本层形成大刚度而导致结构刚度突变，常常会使与加 强层或转换层相邻的柱构件剪力突然加大，且加强层伸臂构 件或转换层构件与外框架柱连接处很难实现强柱弱梁。因此 在需要设置加强层及转换层时，要慎重选择其结构模式，尽 量减小其本身刚度，减小其不利影响。2.3在某些烈度区采用了较低的抗震措施与构造措施现在许多专家学者提出，现行的建筑结构设计安全度己 不能适应国情的需要，认为我国“取用了可能是世界上最低的结构设计安全度”并主张“建筑结构设计的安全度水平应 该大幅度提高”。此外，对于“小震不坏，中

7、震可修，大震 不倒”这个抗震设计原则，在新形势下也有重新审核的必要。设防标准低的根本原因在于国家财力物力有限。我国建筑结构抗震设计除了设防烈度较低外，具体抗震计算 方法和构造规定的安全度也不如国外，在配筋率、轴压比、梁柱 承载力匹配等一系列保证抗震延性的要求上，与外国相比， 也有异同。随着社会财富的增长，结构失效带来的损失愈来 愈大，加之结构造价在整个投资中的比例下降，因而有人主 张结构在设防烈度下应该采用弹性设计，特别是高烈度区要 有严格的抗震措施与抗震构造措施来保证结构的安全。3抗震分析与设计的新趋势(1 )基于性能的结构抗震设计现场理论PBD(Performance-based Desi

8、gn )方法。上世纪90年代美国学者 Bertero. R和Bertero. V. V等研究人员首先明确提出了基于性能的抗震设计概念，这种方 法主要是将结构的性能目标转化为破损指标和位移需求，并 且对基于性能的抗震设计进行了持续的研究，并将其作为新 一代的抗震设计方法。(2)动力时程响应分析的状态空间迭代法。这种方法把 现代 控制理论中的状态空间理论应用到高 层建筑结构动力响应问题。根据结构动力方程，引入位移与 速度为状态变量，导出状态方程，给出非齐次状态方程的解， 进而建立状态空间迭代计算格式。经工程实例验算，具有较 高精度。特别对多自由度体系的多输入、多输出等问题的动力响应解法，效率较高。(3)材料参数随机性的抗震模糊可靠度分析。该方法从结构整体性能出发，改变过去对结构抗震可靠 度的研究只考虑荷载的不确定性而忽略了其他多种不确定因 素，综合考虑了材料参数的变异性，地震烈度的随机性，烈 度等级界限的随机性与模糊性对结构抗震可靠度的影响。研 究成果可用于对现有的结构进行抗震可靠度评估，并可用于 指导基于可靠度理论的结构