关于高层钢结构的地震反应数值计算方法

2023-09-08 09:14 高层钢结构 陕西钢结构

　　钢结构优良的抗震性能来源于其良好的变形能力。在地震作用下，当高层钢结构的层间位移较大时，构件必然会发生破坏，可见在强烈的地震作用下，高层钢结构是会发生破坏，甚至倒塌的。

　　由于高层钢结构的体量庞大，原型结构试验是不可能的，即便大比例模型试验，难度也是非常大的。随着计算机技术的发展，数值计算已经成为研究高层钢结构地震反应的主要手段。高层钢结构的地震反应数值计算方法有以下四类：

　　一、单自由度模型

　　单自由度模型高效简便，在早期计算机分析能力严重不足的时代，单自由度模型被广泛应用于高层钢结构地震响应的模拟计算，并取得很多重要的定性结论。随着研究工作的深入，人们发现，地震震作用下高层钢结构和构件进入非线性后，存在严重的损伤集中效应，单自由度模型过于简化，无法真实反应高层钢结构的损伤效应和损伤演化规律，更无法真实再现地震作用下实际高层钢结构的倒塌破坏过程。

　　二、有限元

　　有限元由于理论成熟，且有大量通用有限元软件包做支持，是使用最为广泛的非线性分析方法。国内外很多研究者基于有限元方法对高层钢结构的震害和倒塌进行了研究。有限元模拟结果与地震中高层钢结构的反应符合良好。采用三维有限元建立数值模型，预测高层钢结构在地震作用下的损伤和倒塌是有可能的。有限元分析利用时程有限元，通过探测高层钢结构侧向位移的突然增加来评定高层钢结构的倒塌能力。

　　三、静力弹塑性分析

　　随着计算机能力的提高以及高层钢结构基于性能抗震设计的发展，即与构件非线性模型的激励弹塑性分析方法得到了广泛应用，在国内外抗震设计规范中都将其列为进行非线性地震响应计算的手段。激励弹塑性分析假定非线性响应与等效单自由度体系的响应相关，等效侧向力沿高层钢结构的高度在整个分析过程保持不变。研究者提出了改进的激励弹塑性分析方法，如应用等效侧向力的时变分布模式，考虑高阶振型影响的模态激励弹塑性分析等。但是弹塑性分析缺乏理论基础，且不能考虑地震持时，也不能考虑高层钢结构往复振动导致非线性变形和滞回损伤累积效应。目前，静力弹塑性分析主要作为一种近似方法用于高层钢结构的抗震性能评价。

　　四、增量动力分析

　　增量动力分析作为一种有力的工具，研究高层钢结构从构件屈服和非线性响应到动力失稳阶段的结构整体行为，用于评价高层钢结构的抗倒塌能力。增量动力分析需要进行一系列非线性动力分析，地震动强度度量参数逐渐增加直至达到高层钢结构倒塌能力，获得地震动强度度量参数关于高层钢结构需求参数的一组曲线。增量动力分析计算量较大，分析结果与地震动强度度量参数的选择有关。增量动力分析可对高层钢结构的地震过程进行精确数值计算，能够反映高层钢结构的地震损伤演化规律，并对高层钢结构的抗地震倒塌能力进行评估，是一种非常有效的数值计算方法。