复杂高层建筑时程分析措施研究

张小方

摘要：伴随着城市建设步伐的加快，高层建筑的数量开始增多，对于高层建筑的抗震性能进行分析成为了关键问题，本文针对这一问题采用时程分析法来进行分析。首先介绍了时程分析发的基本特点，在此基础上分析了当前时程分析在复杂高层建筑中应用所存在的问题，然后针对以上问题提出了结局方案。

关键词：复杂高层建筑、时程分析、措施

中图分类号：TU97文献标识码： A 文章编号：

1、绪论

我国高层建筑越来越多,实际震害表明,即使离震中较远的地区,高层反应也比较强烈,引起较大恐慌。一般而言,地震反应随着楼层增高逐渐增大。我国地震烈度表中提到:在高楼上人的感觉要比地面上室内人的感觉明显,但并不清楚具体放大程度和规律。本文对六栋典型混凝土高层结构进行了计算分析,对比了不同场地条件和不同高度结构对地震的放大作用,得出了具体的放大程度及规律。这样高层上的人可以通过所在层的反应,来判断实际的烈度,减小高层上的人对地震的恐慌。剪力墙是高层结构普遍采用的抗侧力构件,然而剪力墙非线性数值模拟问题一直没有得到很好的解决,本文尝试用时程分析法来检验其动力性能。

2、时程分析的特点

时程分析法又称直接动力法，在数学上又称步步积分法。顾名思义，是由初始状态开始一步一步积分直到地震作用终了，求出结构在地震作用下从静止到振动以至到达最终状态的全过程。它与底部剪力法和振型分解反应谱法的最大差别是能计算结构和结构构件在每个时刻的地震反应(内力和变形)。当用此法进行计算时，系将地震波作为输入。一般而言地震波的峰值应反映建筑物所在地区的烈度，而其频谱组成反映场地的卓越周期和动力特性。当地震波的作用较为强烈以至结构某些部位强度达到屈服进入塑性时，时程分析法通过构件刚度的变化可求出弹塑性阶段的结构内力与变形。这时结构薄弱层间位移可能达到最大值，从而造成结构的破坏，直至倒塌。

作为高层建筑和重要结构抗震设计的一种补充计算，采用时程分析法的主要目的在于检验规范反应谱法的计算结果、弥补反应谱法的不足和进行反应谱法无法做到的结构非弹性地震反应分析。其主要功能包括：

1)校正由于采用反应谱法振型分解和组合求解结构内力和位移时的误差。特别是对于周期长达几秒以上的高层建筑，由于设计反应谱在长周期段的人为调整以及计算中对高阶振型的影响估计不足产生的误差。

2)可以计算结构在非弹性阶段的地震反应，对结构进行大震作用下的变形验算，从而确定结构的薄弱层和薄弱部位，以便采取适当的构造措施。

3)可以计算结构和各结构构件在地展作用下每个时刻的地震反应(内力和变形)，提供按内力包络值配筋和按地震作用过程每个时刻的内力配筋最大值进行配筋这两种方式。

3、高层建筑时程分析中存在的问题

当前在进行时程分析法有关的几个问题：

1、恢复力特性曲线；恢复力特性曲线应用于计算必须模型化，常用的有双线型模型与退化三线型模型；退化三线型模型（附图）能较好地反映以弯曲破坏为主的钢筋混凝土构件的的特性，所以适用于此类构件计算。

2、结构计算模型及分析方法；

3、地震波的选用；

4、时程分析计算结果的处理。时程分析要依靠计算机及软件，作为一般的工程设计人员，只需要了解1、2两个问题的内容，为软件的选用及前期数据准备做基础。问题3、4的内容，特别是问题3的内容，设设计人员能够把握的，也是能否得到良好分析结果的重要因素。

选用合适的数字化地震波(即地震地面运动加速度)。选择的原则是使输入地震波的特性和建筑场地的条件相符合。主要参数有：地震烈度、地震强度参数、场地的土壤类别、卓越周期和反应谱等。选择地震波时应选其主要周期与建筑场地卓越周期接近的地震波。要满足地震活动三要素的要求：即频谱特性〔可用地震影响系数曲线表征，依据所处的建筑场地类别和设计地震分组确定〕、有效峰值(按规范所列地震加速度最大值采用)和地震加速度时程曲线持续时间(一般为结构基木周期的5-10倍)，这三者均要符合规定。

高层建筑时程分析中存在问题的对策

4.1对地震记录数据进行修正

目前，国内关于时程分析法输入地震记录的选取有两种做法：一种是对实际地震记录进行修正，使其地震影响系数曲线与规范的地震影响系数曲线在统计意义上相符；而另一种是通过一定的方法在大量的实际地震记录中选取一些满足规范要求的地震记录，以供时程分析法使用。具体关于实际地震记录的修正措施包括：

1、对强度进行修正。将地震波的加速度峰值及所有的离散点都按比例放大或缩小以满足场地的烈度要求。

2、对滤波进行修正。可按要求设计滤波器，对地震波进行时域或频域的滤波修正。这样修正的地震资料不仅卓越周期满足要求，功率谱的形状和面积也可控制。

3、对卓越周期进行修正。将地震波的离散步长按人为比例改变，使波形的主要周期和场地卓越周期一致，然而，在改变离散步长的同时也将改变地震波的频谱特性，在弹塑性反应中有时会产生不安全的后果。因此，修正的幅度不宜过大，在结构构件进人塑性的程度较大时最好不用此种办法。

4.2场地特性的控制

根据地震记录的反应谱卓越周期来选择输入的地震波，选择其主要周期与建筑场地卓越周期接近的地震波

对于时程分析计算结果的处理，日前我国尚末提出明确的方法。按G 850011- 2001规范的规定：弹性时程分析时，每条时程曲线的计算所得结构底部剪力小应小于振型分解反应谱法计算结果的65%，多条时程曲线的计算所得结构底部剪力的平均值，小应小于振型分解反应谱法计算结果的80%。

目前可以采用以下3种处理方法：

(1)经验判定修正法。这是常用的一种方法，就是将时程分析法与SRSS法或CQC法计算结果进行比较，如果某楼层采用SRSS法或CQC法计算所得的层剪力或层弯矩明显小于采用时程分析法计算所得的层剪力或层弯矩，则对该层的配筋应子以调整，适当加大。

(2) 平均反应值法。根据所选用的多条地震波的反应结果的平均值，求得相应外力，加在结构进行内力计算，求出构件的配筋，然后和采用SRSS法或CQC法的计算配筋作对比，对构件的整体配筋作适当调整。

(3)最大包络值法。从所选用的多条地震波的计算反应结果求得其外包络值(即最大值)，作为外力加在结构上进行内力计算，求出构件的配筋，这个方法求出的配筋值最大。

结论

经过分析，以上措施能够有效应用到复杂高层建筑的时程分析方法当中。该方法只属于初步建议，将随着工程建设的进一步展开而进行更精确的修正。

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