蒲瑜++高路恒+肖盛燮

摘 要：未來的高層建筑結(jié)構(gòu)將朝著多層化、超高化、輕質(zhì)化及抵抗災(zāi)害能力高強化方向發(fā)展，這將造成高層建筑結(jié)構(gòu)抗震性能目標化設(shè)計要求也越來越高。目前社會的發(fā)展對建筑結(jié)構(gòu)加固技術(shù)的推動也迫在眉睫，從結(jié)構(gòu)抗震性能目標位移角限值標準來對結(jié)構(gòu)抵抗地震災(zāi)害的能力進行判別，提高對結(jié)構(gòu)加固過程中薄弱環(huán)節(jié)判斷的水平。本文以災(zāi)害能量質(zhì)環(huán)理論為研究向?qū)?，研究?zāi)害能量在載體介質(zhì)中的傳播演化機理關(guān)系，通過分析地震能量演化各環(huán)節(jié)的致災(zāi)規(guī)律，為高層建筑結(jié)構(gòu)在能量作用下的破壞薄弱點的判斷作理論基礎(chǔ)，采用通用有限元軟件MIDAS/GEN建立高層建筑結(jié)構(gòu)分析模型，進行結(jié)構(gòu)在靜力彈塑性（Pushover）分析及時程分析研究，實現(xiàn)高層建筑結(jié)構(gòu)對地震災(zāi)害預(yù)警技術(shù)不斷成熟化作參考。

關(guān)鍵詞：能量質(zhì)環(huán)理論；高層建筑；薄弱環(huán)節(jié)；致災(zāi)機理；災(zāi)害預(yù)警；耗能減震

中圖分類號：TU31 文獻標志碼： A

引言

隨著高層建筑結(jié)構(gòu)的快速發(fā)展，對于結(jié)構(gòu)抗震性能的研究越來越重要，目前高層建筑結(jié)構(gòu)的加固成為社會發(fā)展的趨勢。針對性地進行結(jié)構(gòu)加固首先需要對結(jié)構(gòu)在地震災(zāi)害作用下破壞機理的研究，從能量鏈演化各環(huán)節(jié)對結(jié)構(gòu)的動力反應(yīng)進行逐步分析，并采用相關(guān)有限元軟件對結(jié)構(gòu)進行定量分析，實現(xiàn)理論研究與定量分析相結(jié)合的技術(shù)手段，為弱勢環(huán)節(jié)的判斷與結(jié)構(gòu)加固設(shè)計高效化發(fā)展提供技術(shù)參考。

1.高層建筑結(jié)構(gòu)加固技術(shù)的發(fā)展

鑒于已建建筑的使用不斷接近設(shè)計使用年限，建筑結(jié)構(gòu)加固作為研究領(lǐng)域之一將逐步成為未來社會發(fā)展與抗震減災(zāi)的一項重要研究工作。

1.1 高層建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計的發(fā)展過程

在二十世紀四十年代，著名的美國學(xué)者Biot通過若干地震記錄工作后，第一次提出了反應(yīng)譜的概念[1]，這是抗震研究的開端；到了五十年代初，研究學(xué)者Housner將反應(yīng)譜應(yīng)用到了抗震設(shè)計當中，這使得結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計大跨步的向前發(fā)展，通過Housner一段時間的苦心研究，在抗震設(shè)計領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)了結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)動力計算工作，之后該方法被稱為時程分析法。

1.2 基于結(jié)構(gòu)抗震性能的設(shè)計方法

目前對于高層建筑結(jié)構(gòu)加固技術(shù)的研究由靜力法逐步向反應(yīng)譜法進行過渡，國內(nèi)外對于這方面的研究已接近成熟化。于二十世紀九十年代發(fā)生在美國西岸的洛杉磯城6.7級大地震及日本阪神7.2級的大地震，震后發(fā)現(xiàn)建筑結(jié)構(gòu)倒塌破壞并不是很多，但是對當?shù)卦斐闪撕艽蟮慕?jīng)濟損失。

我國不斷吸取外國對于抗震加固設(shè)計方面的研究經(jīng)驗及國內(nèi)無數(shù)致力于抗震設(shè)計方面的研究者大量的實驗研究，并在規(guī)范中提出了結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計的兩階段設(shè)計方法，即設(shè)計的第一階段主要以反應(yīng)譜設(shè)計方法進行研究，第二階段則以結(jié)構(gòu)彈塑性時程分析為研究核心。通過該方法借鑒，我國在抗規(guī)中提出了基于性能化研究結(jié)構(gòu)抗震的新思路，并在我國取得了很大的發(fā)展空間。

2.高層建筑結(jié)構(gòu)破壞機理研究

本文主要研究地震能量鏈演化機理[2]及對高層建筑結(jié)構(gòu)的動力響應(yīng)，從能量致災(zāi)角度研究災(zāi)害能量在載體介質(zhì)中演化行徑及對高層建筑構(gòu)件的破壞作用影響，作為探究結(jié)構(gòu)在地震能量作用下薄弱環(huán)節(jié)確定的理論基礎(chǔ)。

2.1 地震能量鏈式演化形態(tài)

地震能量鏈式演化形態(tài)非常復(fù)雜，突變理論[3]認為，地震災(zāi)害的誘發(fā)需要一段過程的演化，地震能量鏈式演化關(guān)系主要以能量鏈的演化與承載介質(zhì)顆粒形態(tài)波動的轉(zhuǎn)化為研究方向。地震能量在載體介質(zhì)中的傳輸、積聚、演化發(fā)展、爆發(fā)呈現(xiàn)了能量鏈演化的主要形態(tài)，即地震能量以波的形式在載體介質(zhì)傳播，此過程伴隨著能量的不斷積聚，當累積到一定程度地震能量將以能量質(zhì)點的形式存在，能量質(zhì)點將以破壞力的形式作用于介質(zhì)顆粒。能量質(zhì)點在傳輸演變過程中也不斷的由量變轉(zhuǎn)為質(zhì)變，最終將以能量破壞面、能量破壞體的形式繼續(xù)演化發(fā)展，當破壞體傳輸?shù)礁邔咏ㄖY(jié)構(gòu)時，能量破壞作用將以演化放大作用施加于結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)與結(jié)構(gòu)構(gòu)件，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)產(chǎn)生過大的變形，這也體現(xiàn)了目前國內(nèi)外對于結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)隔震及結(jié)構(gòu)耗能減震技術(shù)的不斷研究。

2.2 地震能量鏈式演化對結(jié)構(gòu)抗震的影響

地震能量破壞作用導(dǎo)致結(jié)構(gòu)過大的變形，關(guān)系到結(jié)構(gòu)的抗震性能，我國抗規(guī)提出了基于性能的抗震設(shè)計方法[4-5]，通過限制建筑結(jié)構(gòu)在不同地震作用下的性能目標限制[6]（見表1）來進行抗震設(shè)計。本文采用通用有限元軟件MIDAS/GEN對建筑結(jié)構(gòu)進行不同荷載工況下的靜力彈塑性（Pushover）分析[7]與時程分析對加固前后的高層建筑結(jié)構(gòu)進行耗能減震效果的對比分析。

表1 性能目標取值

3.高層建筑結(jié)構(gòu)薄弱環(huán)節(jié)的確定

3.1 計算模型的建立

某10層鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)民用建筑，結(jié)構(gòu)形式為：7度抗震設(shè)防，設(shè)計基本地震加速度取0.05g，場地類型為II類，地震分組第一組，場地特征周期取0.35s，層高均為3.6m，

建筑總高度36m，采用現(xiàn)澆單向板肋梁樓蓋，結(jié)構(gòu)平面及計算模型如圖1、2所示。

3.2 結(jié)構(gòu)靜力彈塑性分析

由表2分析可知，對于罕遇地震作用下，結(jié)構(gòu)X與Y方向的最大層間位移角出現(xiàn)在第二層，分別為1/105、1/169，X向不滿足罕遇地震作用下1/120的性能目標要求，Y向滿足罕遇地震作用下1/120的性能目標要求，通過分析對抗震結(jié)構(gòu)設(shè)置附加粘滯阻尼器，其分布的位置即在結(jié)構(gòu)薄弱點上。

3.3 通過時程分析進行加固耗能效果的對比

對以上各圖進行加固前后的對比分析，原結(jié)構(gòu)在罕遇地震作用下X向不滿足抗震性能目標要求，故只針對結(jié)構(gòu)在罕遇地震作用下X向各指標進行分析驗算。附加粘滯阻尼器后的結(jié)構(gòu)，其速度、加速度、層間位移角出現(xiàn)一定幅度的降低，表明其耗能減震效果明顯。由圖3-圖7分析可知，X方向加固前后頂點位移降低約2.6%，X方向加固前后頂點加速度降低約11.1%，X方向加固前后頂點速度降低約27.08%；在El Centro波作用下，建筑結(jié)構(gòu)層間位移角降低約46.7%；在TAFT波作用下，建筑結(jié)構(gòu)層間位移角降低約39.29%，X方向加固前后樓層相對位移略有降低，加固后各指標均能滿足抗震性能目標要求。

4.總結(jié)

（1）從能量鏈式演化角度透析高層建筑結(jié)構(gòu)在地震災(zāi)害作用下的響應(yīng)，作為抗震加固設(shè)計的理論基礎(chǔ)；

（2）將能量鏈致災(zāi)過程形態(tài)變化理論與有限元軟件計算分析結(jié)構(gòu)在地震作用下靜力彈塑性及時程分析向結(jié)合，實現(xiàn)抗震加固設(shè)計的高效化，打破傳統(tǒng)盲目嘗試設(shè)計的新思路；

（3）通過有限元建模分析結(jié)構(gòu)在不滿足抗規(guī)性能目標要求方向結(jié)構(gòu)頂點位移、頂點加速度及層間位移角等參量，對比加固前后結(jié)構(gòu)的抗震性能目標；

（4）通過性能分析，以本工程實例加固設(shè)計方法對未來我國基礎(chǔ)設(shè)施抗震設(shè)計提供技術(shù)參考。

參考文獻

[1] 胡慶昌、孫金墀、鄭琪.建筑結(jié)構(gòu)抗震減震與連續(xù)倒塌控制[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2007：53-59.

[2] 周云.耗能減震加固技術(shù)與設(shè)計方法[M].北京：科學(xué)出版社，2006：33-45.

[3] 劉秉正、彭建華.非線性動力學(xué)[M].北京：高等教育出版社，2005：74-93.

[4] Housner G W，Bergman L A，Caughey T K.Structural Control：Past，Present and Future.Journal of Engineering Mechanics，1997，123（9）.

[5] 肖明葵.基于性能的抗震結(jié)構(gòu)位移及能量反應(yīng)分析方法研究[D].重慶：重慶大學(xué)土木建筑工程學(xué)院，2004.

[6] 中華人民共和國國家標準《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》（GB50011-2001）[S].中華人民共和國建設(shè)部.

[7] 王昌興.MIDAS/GEN應(yīng)用實例教程及疑難解答[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2009：77-81.

[8] 高路恒、肖盛燮.地質(zhì)災(zāi)害能量質(zhì)環(huán)理論結(jié)構(gòu)模式梗概[J].《災(zāi)害學(xué)》，2013 Vol.28 No.3：181-184.

[9] Anil K.Chopra.結(jié)構(gòu)動力學(xué)：理論及其在地震工程中的應(yīng) 用[M].北京：高等教育出版社，2005：46-62

摘 要：未來的高層建筑結(jié)構(gòu)將朝著多層化、超高化、輕質(zhì)化及抵抗災(zāi)害能力高強化方向發(fā)展，這將造成高層建筑結(jié)構(gòu)抗震性能目標化設(shè)計要求也越來越高。目前社會的發(fā)展對建筑結(jié)構(gòu)加固技術(shù)的推動也迫在眉睫，從結(jié)構(gòu)抗震性能目標位移角限值標準來對結(jié)構(gòu)抵抗地震災(zāi)害的能力進行判別，提高對結(jié)構(gòu)加固過程中薄弱環(huán)節(jié)判斷的水平。本文以災(zāi)害能量質(zhì)環(huán)理論為研究向?qū)В芯繛?zāi)害能量在載體介質(zhì)中的傳播演化機理關(guān)系，通過分析地震能量演化各環(huán)節(jié)的致災(zāi)規(guī)律，為高層建筑結(jié)構(gòu)在能量作用下的破壞薄弱點的判斷作理論基礎(chǔ)，采用通用有限元軟件MIDAS/GEN建立高層建筑結(jié)構(gòu)分析模型，進行結(jié)構(gòu)在靜力彈塑性（Pushover）分析及時程分析研究，實現(xiàn)高層建筑結(jié)構(gòu)對地震災(zāi)害預(yù)警技術(shù)不斷成熟化作參考。

關(guān)鍵詞：能量質(zhì)環(huán)理論；高層建筑；薄弱環(huán)節(jié)；致災(zāi)機理；災(zāi)害預(yù)警；耗能減震

中圖分類號：TU31 文獻標志碼： A

引言

隨著高層建筑結(jié)構(gòu)的快速發(fā)展，對于結(jié)構(gòu)抗震性能的研究越來越重要，目前高層建筑結(jié)構(gòu)的加固成為社會發(fā)展的趨勢。針對性地進行結(jié)構(gòu)加固首先需要對結(jié)構(gòu)在地震災(zāi)害作用下破壞機理的研究，從能量鏈演化各環(huán)節(jié)對結(jié)構(gòu)的動力反應(yīng)進行逐步分析，并采用相關(guān)有限元軟件對結(jié)構(gòu)進行定量分析，實現(xiàn)理論研究與定量分析相結(jié)合的技術(shù)手段，為弱勢環(huán)節(jié)的判斷與結(jié)構(gòu)加固設(shè)計高效化發(fā)展提供技術(shù)參考。

1.高層建筑結(jié)構(gòu)加固技術(shù)的發(fā)展

鑒于已建建筑的使用不斷接近設(shè)計使用年限，建筑結(jié)構(gòu)加固作為研究領(lǐng)域之一將逐步成為未來社會發(fā)展與抗震減災(zāi)的一項重要研究工作。

1.1 高層建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計的發(fā)展過程

在二十世紀四十年代，著名的美國學(xué)者Biot通過若干地震記錄工作后，第一次提出了反應(yīng)譜的概念[1]，這是抗震研究的開端；到了五十年代初，研究學(xué)者Housner將反應(yīng)譜應(yīng)用到了抗震設(shè)計當中，這使得結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計大跨步的向前發(fā)展，通過Housner一段時間的苦心研究，在抗震設(shè)計領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)了結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)動力計算工作，之后該方法被稱為時程分析法。

1.2 基于結(jié)構(gòu)抗震性能的設(shè)計方法

目前對于高層建筑結(jié)構(gòu)加固技術(shù)的研究由靜力法逐步向反應(yīng)譜法進行過渡，國內(nèi)外對于這方面的研究已接近成熟化。于二十世紀九十年代發(fā)生在美國西岸的洛杉磯城6.7級大地震及日本阪神7.2級的大地震，震后發(fā)現(xiàn)建筑結(jié)構(gòu)倒塌破壞并不是很多，但是對當?shù)卦斐闪撕艽蟮慕?jīng)濟損失。

我國不斷吸取外國對于抗震加固設(shè)計方面的研究經(jīng)驗及國內(nèi)無數(shù)致力于抗震設(shè)計方面的研究者大量的實驗研究，并在規(guī)范中提出了結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計的兩階段設(shè)計方法，即設(shè)計的第一階段主要以反應(yīng)譜設(shè)計方法進行研究，第二階段則以結(jié)構(gòu)彈塑性時程分析為研究核心。通過該方法借鑒，我國在抗規(guī)中提出了基于性能化研究結(jié)構(gòu)抗震的新思路，并在我國取得了很大的發(fā)展空間。

2.高層建筑結(jié)構(gòu)破壞機理研究

本文主要研究地震能量鏈演化機理[2]及對高層建筑結(jié)構(gòu)的動力響應(yīng)，從能量致災(zāi)角度研究災(zāi)害能量在載體介質(zhì)中演化行徑及對高層建筑構(gòu)件的破壞作用影響，作為探究結(jié)構(gòu)在地震能量作用下薄弱環(huán)節(jié)確定的理論基礎(chǔ)。

2.1 地震能量鏈式演化形態(tài)

地震能量鏈式演化形態(tài)非常復(fù)雜，突變理論[3]認為，地震災(zāi)害的誘發(fā)需要一段過程的演化，地震能量鏈式演化關(guān)系主要以能量鏈的演化與承載介質(zhì)顆粒形態(tài)波動的轉(zhuǎn)化為研究方向。地震能量在載體介質(zhì)中的傳輸、積聚、演化發(fā)展、爆發(fā)呈現(xiàn)了能量鏈演化的主要形態(tài)，即地震能量以波的形式在載體介質(zhì)傳播，此過程伴隨著能量的不斷積聚，當累積到一定程度地震能量將以能量質(zhì)點的形式存在，能量質(zhì)點將以破壞力的形式作用于介質(zhì)顆粒。能量質(zhì)點在傳輸演變過程中也不斷的由量變轉(zhuǎn)為質(zhì)變，最終將以能量破壞面、能量破壞體的形式繼續(xù)演化發(fā)展，當破壞體傳輸?shù)礁邔咏ㄖY(jié)構(gòu)時，能量破壞作用將以演化放大作用施加于結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)與結(jié)構(gòu)構(gòu)件，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)產(chǎn)生過大的變形，這也體現(xiàn)了目前國內(nèi)外對于結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)隔震及結(jié)構(gòu)耗能減震技術(shù)的不斷研究。

2.2 地震能量鏈式演化對結(jié)構(gòu)抗震的影響

地震能量破壞作用導(dǎo)致結(jié)構(gòu)過大的變形，關(guān)系到結(jié)構(gòu)的抗震性能，我國抗規(guī)提出了基于性能的抗震設(shè)計方法[4-5]，通過限制建筑結(jié)構(gòu)在不同地震作用下的性能目標限制[6]（見表1）來進行抗震設(shè)計。本文采用通用有限元軟件MIDAS/GEN對建筑結(jié)構(gòu)進行不同荷載工況下的靜力彈塑性（Pushover）分析[7]與時程分析對加固前后的高層建筑結(jié)構(gòu)進行耗能減震效果的對比分析。

表1 性能目標取值

3.高層建筑結(jié)構(gòu)薄弱環(huán)節(jié)的確定

3.1 計算模型的建立

某10層鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)民用建筑，結(jié)構(gòu)形式為：7度抗震設(shè)防，設(shè)計基本地震加速度取0.05g，場地類型為II類，地震分組第一組，場地特征周期取0.35s，層高均為3.6m，

建筑總高度36m，采用現(xiàn)澆單向板肋梁樓蓋，結(jié)構(gòu)平面及計算模型如圖1、2所示。

3.2 結(jié)構(gòu)靜力彈塑性分析

由表2分析可知，對于罕遇地震作用下，結(jié)構(gòu)X與Y方向的最大層間位移角出現(xiàn)在第二層，分別為1/105、1/169，X向不滿足罕遇地震作用下1/120的性能目標要求，Y向滿足罕遇地震作用下1/120的性能目標要求，通過分析對抗震結(jié)構(gòu)設(shè)置附加粘滯阻尼器，其分布的位置即在結(jié)構(gòu)薄弱點上。

3.3 通過時程分析進行加固耗能效果的對比

對以上各圖進行加固前后的對比分析，原結(jié)構(gòu)在罕遇地震作用下X向不滿足抗震性能目標要求，故只針對結(jié)構(gòu)在罕遇地震作用下X向各指標進行分析驗算。附加粘滯阻尼器后的結(jié)構(gòu)，其速度、加速度、層間位移角出現(xiàn)一定幅度的降低，表明其耗能減震效果明顯。由圖3-圖7分析可知，X方向加固前后頂點位移降低約2.6%，X方向加固前后頂點加速度降低約11.1%，X方向加固前后頂點速度降低約27.08%；在El Centro波作用下，建筑結(jié)構(gòu)層間位移角降低約46.7%；在TAFT波作用下，建筑結(jié)構(gòu)層間位移角降低約39.29%，X方向加固前后樓層相對位移略有降低，加固后各指標均能滿足抗震性能目標要求。

4.總結(jié)

（1）從能量鏈式演化角度透析高層建筑結(jié)構(gòu)在地震災(zāi)害作用下的響應(yīng)，作為抗震加固設(shè)計的理論基礎(chǔ)；

（2）將能量鏈致災(zāi)過程形態(tài)變化理論與有限元軟件計算分析結(jié)構(gòu)在地震作用下靜力彈塑性及時程分析向結(jié)合，實現(xiàn)抗震加固設(shè)計的高效化，打破傳統(tǒng)盲目嘗試設(shè)計的新思路；

（3）通過有限元建模分析結(jié)構(gòu)在不滿足抗規(guī)性能目標要求方向結(jié)構(gòu)頂點位移、頂點加速度及層間位移角等參量，對比加固前后結(jié)構(gòu)的抗震性能目標；

（4）通過性能分析，以本工程實例加固設(shè)計方法對未來我國基礎(chǔ)設(shè)施抗震設(shè)計提供技術(shù)參考。

參考文獻

[1] 胡慶昌、孫金墀、鄭琪.建筑結(jié)構(gòu)抗震減震與連續(xù)倒塌控制[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2007：53-59.

[2] 周云.耗能減震加固技術(shù)與設(shè)計方法[M].北京：科學(xué)出版社，2006：33-45.

[3] 劉秉正、彭建華.非線性動力學(xué)[M].北京：高等教育出版社，2005：74-93.

[4] Housner G W，Bergman L A，Caughey T K.Structural Control：Past，Present and Future.Journal of Engineering Mechanics，1997，123（9）.

[5] 肖明葵.基于性能的抗震結(jié)構(gòu)位移及能量反應(yīng)分析方法研究[D].重慶：重慶大學(xué)土木建筑工程學(xué)院，2004.

[6] 中華人民共和國國家標準《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》（GB50011-2001）[S].中華人民共和國建設(shè)部.

[7] 王昌興.MIDAS/GEN應(yīng)用實例教程及疑難解答[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2009：77-81.

[8] 高路恒、肖盛燮.地質(zhì)災(zāi)害能量質(zhì)環(huán)理論結(jié)構(gòu)模式梗概[J].《災(zāi)害學(xué)》，2013 Vol.28 No.3：181-184.

[9] Anil K.Chopra.結(jié)構(gòu)動力學(xué)：理論及其在地震工程中的應(yīng) 用[M].北京：高等教育出版社，2005：46-62

摘 要：未來的高層建筑結(jié)構(gòu)將朝著多層化、超高化、輕質(zhì)化及抵抗災(zāi)害能力高強化方向發(fā)展，這將造成高層建筑結(jié)構(gòu)抗震性能目標化設(shè)計要求也越來越高。目前社會的發(fā)展對建筑結(jié)構(gòu)加固技術(shù)的推動也迫在眉睫，從結(jié)構(gòu)抗震性能目標位移角限值標準來對結(jié)構(gòu)抵抗地震災(zāi)害的能力進行判別，提高對結(jié)構(gòu)加固過程中薄弱環(huán)節(jié)判斷的水平。本文以災(zāi)害能量質(zhì)環(huán)理論為研究向?qū)?，研究?zāi)害能量在載體介質(zhì)中的傳播演化機理關(guān)系，通過分析地震能量演化各環(huán)節(jié)的致災(zāi)規(guī)律，為高層建筑結(jié)構(gòu)在能量作用下的破壞薄弱點的判斷作理論基礎(chǔ)，采用通用有限元軟件MIDAS/GEN建立高層建筑結(jié)構(gòu)分析模型，進行結(jié)構(gòu)在靜力彈塑性（Pushover）分析及時程分析研究，實現(xiàn)高層建筑結(jié)構(gòu)對地震災(zāi)害預(yù)警技術(shù)不斷成熟化作參考。

關(guān)鍵詞：能量質(zhì)環(huán)理論；高層建筑；薄弱環(huán)節(jié)；致災(zāi)機理；災(zāi)害預(yù)警；耗能減震

中圖分類號：TU31 文獻標志碼： A

引言

隨著高層建筑結(jié)構(gòu)的快速發(fā)展，對于結(jié)構(gòu)抗震性能的研究越來越重要，目前高層建筑結(jié)構(gòu)的加固成為社會發(fā)展的趨勢。針對性地進行結(jié)構(gòu)加固首先需要對結(jié)構(gòu)在地震災(zāi)害作用下破壞機理的研究，從能量鏈演化各環(huán)節(jié)對結(jié)構(gòu)的動力反應(yīng)進行逐步分析，并采用相關(guān)有限元軟件對結(jié)構(gòu)進行定量分析，實現(xiàn)理論研究與定量分析相結(jié)合的技術(shù)手段，為弱勢環(huán)節(jié)的判斷與結(jié)構(gòu)加固設(shè)計高效化發(fā)展提供技術(shù)參考。

1.高層建筑結(jié)構(gòu)加固技術(shù)的發(fā)展

鑒于已建建筑的使用不斷接近設(shè)計使用年限，建筑結(jié)構(gòu)加固作為研究領(lǐng)域之一將逐步成為未來社會發(fā)展與抗震減災(zāi)的一項重要研究工作。

1.1 高層建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計的發(fā)展過程

在二十世紀四十年代，著名的美國學(xué)者Biot通過若干地震記錄工作后，第一次提出了反應(yīng)譜的概念[1]，這是抗震研究的開端；到了五十年代初，研究學(xué)者Housner將反應(yīng)譜應(yīng)用到了抗震設(shè)計當中，這使得結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計大跨步的向前發(fā)展，通過Housner一段時間的苦心研究，在抗震設(shè)計領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)了結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)動力計算工作，之后該方法被稱為時程分析法。

1.2 基于結(jié)構(gòu)抗震性能的設(shè)計方法

目前對于高層建筑結(jié)構(gòu)加固技術(shù)的研究由靜力法逐步向反應(yīng)譜法進行過渡，國內(nèi)外對于這方面的研究已接近成熟化。于二十世紀九十年代發(fā)生在美國西岸的洛杉磯城6.7級大地震及日本阪神7.2級的大地震，震后發(fā)現(xiàn)建筑結(jié)構(gòu)倒塌破壞并不是很多，但是對當?shù)卦斐闪撕艽蟮慕?jīng)濟損失。

我國不斷吸取外國對于抗震加固設(shè)計方面的研究經(jīng)驗及國內(nèi)無數(shù)致力于抗震設(shè)計方面的研究者大量的實驗研究，并在規(guī)范中提出了結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計的兩階段設(shè)計方法，即設(shè)計的第一階段主要以反應(yīng)譜設(shè)計方法進行研究，第二階段則以結(jié)構(gòu)彈塑性時程分析為研究核心。通過該方法借鑒，我國在抗規(guī)中提出了基于性能化研究結(jié)構(gòu)抗震的新思路，并在我國取得了很大的發(fā)展空間。

2.高層建筑結(jié)構(gòu)破壞機理研究

本文主要研究地震能量鏈演化機理[2]及對高層建筑結(jié)構(gòu)的動力響應(yīng)，從能量致災(zāi)角度研究災(zāi)害能量在載體介質(zhì)中演化行徑及對高層建筑構(gòu)件的破壞作用影響，作為探究結(jié)構(gòu)在地震能量作用下薄弱環(huán)節(jié)確定的理論基礎(chǔ)。

2.1 地震能量鏈式演化形態(tài)

地震能量鏈式演化形態(tài)非常復(fù)雜，突變理論[3]認為，地震災(zāi)害的誘發(fā)需要一段過程的演化，地震能量鏈式演化關(guān)系主要以能量鏈的演化與承載介質(zhì)顆粒形態(tài)波動的轉(zhuǎn)化為研究方向。地震能量在載體介質(zhì)中的傳輸、積聚、演化發(fā)展、爆發(fā)呈現(xiàn)了能量鏈演化的主要形態(tài)，即地震能量以波的形式在載體介質(zhì)傳播，此過程伴隨著能量的不斷積聚，當累積到一定程度地震能量將以能量質(zhì)點的形式存在，能量質(zhì)點將以破壞力的形式作用于介質(zhì)顆粒。能量質(zhì)點在傳輸演變過程中也不斷的由量變轉(zhuǎn)為質(zhì)變，最終將以能量破壞面、能量破壞體的形式繼續(xù)演化發(fā)展，當破壞體傳輸?shù)礁邔咏ㄖY(jié)構(gòu)時，能量破壞作用將以演化放大作用施加于結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)與結(jié)構(gòu)構(gòu)件，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)產(chǎn)生過大的變形，這也體現(xiàn)了目前國內(nèi)外對于結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)隔震及結(jié)構(gòu)耗能減震技術(shù)的不斷研究。

2.2 地震能量鏈式演化對結(jié)構(gòu)抗震的影響

地震能量破壞作用導(dǎo)致結(jié)構(gòu)過大的變形，關(guān)系到結(jié)構(gòu)的抗震性能，我國抗規(guī)提出了基于性能的抗震設(shè)計方法[4-5]，通過限制建筑結(jié)構(gòu)在不同地震作用下的性能目標限制[6]（見表1）來進行抗震設(shè)計。本文采用通用有限元軟件MIDAS/GEN對建筑結(jié)構(gòu)進行不同荷載工況下的靜力彈塑性（Pushover）分析[7]與時程分析對加固前后的高層建筑結(jié)構(gòu)進行耗能減震效果的對比分析。

表1 性能目標取值

3.高層建筑結(jié)構(gòu)薄弱環(huán)節(jié)的確定

3.1 計算模型的建立

某10層鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)民用建筑，結(jié)構(gòu)形式為：7度抗震設(shè)防，設(shè)計基本地震加速度取0.05g，場地類型為II類，地震分組第一組，場地特征周期取0.35s，層高均為3.6m，

建筑總高度36m，采用現(xiàn)澆單向板肋梁樓蓋，結(jié)構(gòu)平面及計算模型如圖1、2所示。

3.2 結(jié)構(gòu)靜力彈塑性分析

由表2分析可知，對于罕遇地震作用下，結(jié)構(gòu)X與Y方向的最大層間位移角出現(xiàn)在第二層，分別為1/105、1/169，X向不滿足罕遇地震作用下1/120的性能目標要求，Y向滿足罕遇地震作用下1/120的性能目標要求，通過分析對抗震結(jié)構(gòu)設(shè)置附加粘滯阻尼器，其分布的位置即在結(jié)構(gòu)薄弱點上。

3.3 通過時程分析進行加固耗能效果的對比

對以上各圖進行加固前后的對比分析，原結(jié)構(gòu)在罕遇地震作用下X向不滿足抗震性能目標要求，故只針對結(jié)構(gòu)在罕遇地震作用下X向各指標進行分析驗算。附加粘滯阻尼器后的結(jié)構(gòu)，其速度、加速度、層間位移角出現(xiàn)一定幅度的降低，表明其耗能減震效果明顯。由圖3-圖7分析可知，X方向加固前后頂點位移降低約2.6%，X方向加固前后頂點加速度降低約11.1%，X方向加固前后頂點速度降低約27.08%；在El Centro波作用下，建筑結(jié)構(gòu)層間位移角降低約46.7%；在TAFT波作用下，建筑結(jié)構(gòu)層間位移角降低約39.29%，X方向加固前后樓層相對位移略有降低，加固后各指標均能滿足抗震性能目標要求。

4.總結(jié)

（1）從能量鏈式演化角度透析高層建筑結(jié)構(gòu)在地震災(zāi)害作用下的響應(yīng)，作為抗震加固設(shè)計的理論基礎(chǔ)；

（2）將能量鏈致災(zāi)過程形態(tài)變化理論與有限元軟件計算分析結(jié)構(gòu)在地震作用下靜力彈塑性及時程分析向結(jié)合，實現(xiàn)抗震加固設(shè)計的高效化，打破傳統(tǒng)盲目嘗試設(shè)計的新思路；

（3）通過有限元建模分析結(jié)構(gòu)在不滿足抗規(guī)性能目標要求方向結(jié)構(gòu)頂點位移、頂點加速度及層間位移角等參量，對比加固前后結(jié)構(gòu)的抗震性能目標；

（4）通過性能分析，以本工程實例加固設(shè)計方法對未來我國基礎(chǔ)設(shè)施抗震設(shè)計提供技術(shù)參考。

參考文獻

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[8] 高路恒、肖盛燮.地質(zhì)災(zāi)害能量質(zhì)環(huán)理論結(jié)構(gòu)模式梗概[J].《災(zāi)害學(xué)》，2013 Vol.28 No.3：181-184.

[9] Anil K.Chopra.結(jié)構(gòu)動力學(xué)：理論及其在地震工程中的應(yīng) 用[M].北京：高等教育出版社，2005：46-62