解析高层钢结构的地震作用

2021-03-12 08:37 高层钢结构 华邦建设

　　历次震害表明，地震造成建筑破坏的损失是巨大的。当发生地震时，地面产生剧烈运动，在建筑中引起惯性力，地震烈度越高，这种惯性力即地震力越大。地震力的大小还与建筑物的重量与刚度有关，在同等烈度与场地条件下，建筑的总重量越大，地震力越大;结构的侧向刚度越大、自振周期越短，地震作用也越大。由于地震发生的时间与地震的烈度具有很大的随机性，如果片面强调提高抗震措施，势必引起建造成本的提高，给国民经济造成巨大的负担，所以在我国的《建筑抗震设计规范》GBJ11—89中采用了“小震不坏、中震可修、大震不倒”的三水准设防指导思想。

　　第一水准：当高层钢结构在其正常使用年限内遭遇发生频率较高、强度较低的地震(50年超越概率为63.2%，比基本烈度低1度半左右)时，应保证高层钢结构的正常使用，非结构构件不发生破坏，结构处于弹性工作状态。

　　第二水准：在基本烈度地震作用下(50年超越概率为10%)，允许结构达到或超过屈服极限，此时结构构件要有足够的延性，结构不发生破坏，经修复后还可以正常使用。

　　第三水准：在罕遇的强烈地震作用下(50年超越概率为2%—3%，比基本烈度高1度左右)，结构进入弹塑性大变形状态，非结构构件破坏严重，此时应防止结构倒坍，避免危及人员生命安全。

　　高层钢结构的抗震设计可以采用两阶段设计法。

　　第一阶段：为多遇地震作用下的弹性分析，验算构件的承载力、稳定性及结构的层间位移。

　　第二阶段：罕遇地震作用下的弹塑性分析，验算结构的层间位移和层间延性比。

　　在多遇地震作用下，对于体形简单、刚度分布均匀的高层结构，在进行初步设计时可以采用基底剪力法估计楼层的水平地震力;对于大多数情况，在结构计算时普遍采用振型分解反应谱法。在罕遇地震作用下，结构早已进入了弹塑性工作状态，此时需要采用弹塑性时程法进行计算分析，找出结构的薄弱环节，防止由于局部形成破坏机构引起结构倒坍，基底剪力法是一种适用于高度不大、竖向刚度分布较为规则的高层钢结构抗震计算简化方法。它根据高层钢结构的基本自振周期、总重量以及场地类别等因素，通过结构的反应谱曲线计算出结构底部的水平地震总剪力;假定水平地震力近似为倒三角形分布，将其中的一部分作为集中力施加在高层钢结构的顶部，用来模拟高振型的影响;用静力的方法进行结构内力计算，从而可以得到接近于结构在实际地震中动力反应峰值的内力与变形。

　　振型分解反应谱法是目前在结构抗震设计中最基本和最常用的计算方法，它将结构视为多质点体系，计算其前若干个周期与振型，利用正则变换将多自由度体系分解为多个彼此独立的广义单自由度体系;根据加速度反应谱曲线确定各单自由度体系的最大惯性力，用静力方法进行结构的力学计算;将各振型的位移与内力进行遇合，从而可以得到结构在地震作用时的位移与内力、由于在振型分解反应谱法的计算过程中综合地考虑了地面运动的强弱、建筑场地的性质以及结构自身动力特性的影响，因而在结构设计中得到了广泛应用。

　　时程分析法又称直接动力法，它在结构的底部输入地震记录或人工合成的地震波，通过动力计算的方法求出结构在地震过程中每一时刻的位移与内力变化情况，从而了解结构中塑性铰出现的情况，找出薄弱部位予以加强，从而可以有效地防止结构在罕遇地震作用时发生倒坍。采用时程分析中要考虑的因素很多，其中最重要的是要建立符合构件实际情况的恢复力模型与合理地选择地震波。由于高层钢结构总是由大量构件组成的，在进行时程分析时，常常要将地震持续时间分为数百甚至上千个微小的时间段，计算工作量巨大，费用很髙。

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