解析高層鋼結構的地震作用
2021-03-12 08:37 高層鋼結構 華邦建設
歷次震害表明，地震造成建筑破壞的損失是巨大的。當發生地震時，地面產生劇烈運動，在建筑中引起慣性力，地震烈度越高，這種慣性力即地震力越大。地震力的大小還與建筑物的重量與剛度有關，在同等烈度與場地條件下，建筑的總重量越大，地震力越大;結構的側向剛度越大、自振周期越短，地震作用也越大。由于地震發生的時間與地震的烈度具有很大的隨機性，如果片面強調提高抗震措施，勢必引起建造成本的提高，給國民經濟造成巨大的負擔，所以在我國的《建筑抗震設計規范》GBJ11—89中采用了“小震不壞、中震可修、大震不倒”的三水準設防指導思想。
水準：當高層鋼結構在其正常使用年限內遭遇發生頻率較高、強度較低的地震(50年超越概率為63.2%，比基本烈度低1度半左右)時，應保證高層鋼結構的正常使用，非結構構件不發生破壞，結構處于彈性工作狀態。
第二水準：在基本烈度地震作用下(50年超越概率為10%)，允許結構達到或超過屈服極限，此時結構構件要有足夠的延性，結構不發生破壞，經修復后還可以正常使用。
第三水準：在罕遇的強烈地震作用下(50年超越概率為2%—3%，比基本烈度高1度左右)，結構進入彈塑性大變形狀態，非結構構件破壞嚴重，此時應防止結構倒坍，避免危及人員生命安全。
高層鋼結構的抗震設計可以采用兩階段設計法。
階段：為多遇地震作用下的彈性分析，驗算構件的承載力、穩定性及結構的層間位移。
第二階段：罕遇地震作用下的彈塑性分析，驗算結構的層間位移和層間延性比。
在多遇地震作用下，對于體形簡單、剛度分布均勻的高層結構，在進行初步設計時可以采用基底剪力法估計樓層的水平地震力;對于大多數情況，在結構計算時普遍采用振型分解反應譜法。在罕遇地震作用下，結構早已進入了彈塑性工作狀態，此時需要采用彈塑性時程法進行計算分析，找出結構的薄弱環節，防止由于局部形成破壞機構引起結構倒坍，基底剪力法是一種適用于高度不大、豎向剛度分布較為規則的高層鋼結構抗震計算簡化方法。它根據高層鋼結構的基本自振周期、總重量以及場地類別等因素，通過結構的反應譜曲線計算出結構底部的水平地震總剪力;假定水平地震力近似為倒三角形分布，將其中的一部分作為集中力施加在高層鋼結構的頂部，用來模擬高振型的影響;用靜力的方法進行結構內力計算，從而可以得到接近于結構在實際地震中動力反應峰值的內力與變形。
振型分解反應譜法是目前在結構抗震設計中基本和常用的計算方法，它將結構視為多質點體系，計算其前若干個周期與振型，利用正則變換將多自由度體系分解為多個彼此獨立的廣義單自由度體系;根據加速度反應譜曲線確定各單自由度體系的大慣性力，用靜力方法進行結構的力學計算;將各振型的位移與內力進行遇合，從而可以得到結構在地震作用時的位移與內力、由于在振型分解反應譜法的計算過程中綜合地考慮了地面運動的強弱、建筑場地的性質以及結構自身動力特性的影響，因而在結構設計中得到了廣泛應用。
時程分析法又稱直接動力法，它在結構的底部輸入地震記錄或人工合成的地震波，通過動力計算的方法求出結構在地震過程中每一時刻的位移與內力變化情況，從而了解結構中塑性鉸出現的情況，找出薄弱部位予以加強，從而可以有效地防止結構在罕遇地震作用時發生倒坍。采用時程分析中要考慮的因素很多，其中重要的是要建立符合構件實際情況的恢復力模型與合理地選擇地震波。由于高層鋼結構總是由大量構件組成的，在進行時程分析時，常常要將地震持續時間分為數百甚至上千個微小的時間段，計算工作量巨大，費用很髙。
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