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解析高層鋼結(jié)構(gòu)的地震作用
2021-03-12 08:37 高層鋼結(jié)構(gòu) 華邦建設(shè)
歷次震害表明，地震造成建筑破壞的損失是巨大的。當(dāng)發(fā)生地震時(shí)，地面產(chǎn)生劇烈運(yùn)動(dòng)，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(guān)，在同等烈度與場(chǎng)地條件下，建筑的總重量越大，地震力越大;結(jié)構(gòu)的側(cè)向剛度越大、自振周期越短，地震作用也越大。由于地震發(fā)生的時(shí)間與地震的烈度具有很大的隨機(jī)性，如果片面強(qiáng)調(diào)提高抗震措施，勢(shì)必引起建造成本的提高，給國(guó)民經(jīng)濟(jì)造成巨大的負(fù)擔(dān)，所以在我國(guó)的《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》GBJ11—89中采用了“小震不壞、中震可修、大震不倒”的三水準(zhǔn)設(shè)防指導(dǎo)思想。
水準(zhǔn)：當(dāng)高層鋼結(jié)構(gòu)在其正常使用年限內(nèi)遭遇發(fā)生頻率較高、強(qiáng)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(shí)，應(yīng)保證高層鋼結(jié)構(gòu)的正常使用，非結(jié)構(gòu)構(gòu)件不發(fā)生破壞，結(jié)構(gòu)處于彈性工作狀態(tài)。
第二水準(zhǔn)：在基本烈度地震作用下(50年超越概率為10%)，允許結(jié)構(gòu)達(dá)到或超過(guò)屈服極限，此時(shí)結(jié)構(gòu)構(gòu)件要有足夠的延性，結(jié)構(gòu)不發(fā)生破壞，經(jīng)修復(fù)后還可以正常使用。
第三水準(zhǔn)：在罕遇的強(qiáng)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(jié)構(gòu)進(jìn)入彈塑性大變形狀態(tài)，非結(jié)構(gòu)構(gòu)件破壞嚴(yán)重，此時(shí)應(yīng)防止結(jié)構(gòu)倒坍，避免危及人員生命安全。
高層鋼結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)可以采用兩階段設(shè)計(jì)法。
階段：為多遇地震作用下的彈性分析，驗(yàn)算構(gòu)件的承載力、穩(wěn)定性及結(jié)構(gòu)的層間位移。
第二階段：罕遇地震作用下的彈塑性分析，驗(yàn)算結(jié)構(gòu)的層間位移和層間延性比。
在多遇地震作用下，對(duì)于體形簡(jiǎn)單、剛度分布均勻的高層結(jié)構(gòu)，在進(jìn)行初步設(shè)計(jì)時(shí)可以采用基底剪力法估計(jì)樓層的水平地震力;對(duì)于大多數(shù)情況，在結(jié)構(gòu)計(jì)算時(shí)普遍采用振型分解反應(yīng)譜法。在罕遇地震作用下，結(jié)構(gòu)早已進(jìn)入了彈塑性工作狀態(tài)，此時(shí)需要采用彈塑性時(shí)程法進(jìn)行計(jì)算分析，找出結(jié)構(gòu)的薄弱環(huán)節(jié)，防止由于局部形成破壞機(jī)構(gòu)引起結(jié)構(gòu)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(guī)則的高層鋼結(jié)構(gòu)抗震計(jì)算簡(jiǎn)化方法。它根據(jù)高層鋼結(jié)構(gòu)的基本自振周期、總重量以及場(chǎng)地類別等因素，通過(guò)結(jié)構(gòu)的反應(yīng)譜曲線計(jì)算出結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)的頂部，用來(lái)模擬高振型的影響;用靜力的方法進(jìn)行結(jié)構(gòu)內(nèi)力計(jì)算，從而可以得到接近于結(jié)構(gòu)在實(shí)際地震中動(dòng)力反應(yīng)峰值的內(nèi)力與變形。
振型分解反應(yīng)譜法是目前在結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)中基本和常用的計(jì)算方法，它將結(jié)構(gòu)視為多質(zhì)點(diǎn)體系，計(jì)算其前若干個(gè)周期與振型，利用正則變換將多自由度體系分解為多個(gè)彼此獨(dú)立的廣義單自由度體系;根據(jù)加速度反應(yīng)譜曲線確定各單自由度體系的大慣性力，用靜力方法進(jìn)行結(jié)構(gòu)的力學(xué)計(jì)算;將各振型的位移與內(nèi)力進(jìn)行遇合，從而可以得到結(jié)構(gòu)在地震作用時(shí)的位移與內(nèi)力、由于在振型分解反應(yīng)譜法的計(jì)算過(guò)程中綜合地考慮了地面運(yùn)動(dòng)的強(qiáng)弱、建筑場(chǎng)地的性質(zhì)以及結(jié)構(gòu)自身動(dòng)力特性的影響，因而在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中得到了廣泛應(yīng)用。
時(shí)程分析法又稱直接動(dòng)力法，它在結(jié)構(gòu)的底部輸入地震記錄或人工合成的地震波，通過(guò)動(dòng)力計(jì)算的方法求出結(jié)構(gòu)在地震過(guò)程中每一時(shí)刻的位移與內(nèi)力變化情況，從而了解結(jié)構(gòu)中塑性鉸出現(xiàn)的情況，找出薄弱部位予以加強(qiáng)，從而可以有效地防止結(jié)構(gòu)在罕遇地震作用時(shí)發(fā)生倒坍。采用時(shí)程分析中要考慮的因素很多，其中重要的是要建立符合構(gòu)件實(shí)際情況的恢復(fù)力模型與合理地選擇地震波。由于高層鋼結(jié)構(gòu)總是由大量構(gòu)件組成的，在進(jìn)行時(shí)程分析時(shí)，常常要將地震持續(xù)時(shí)間分為數(shù)百甚至上千個(gè)微小的時(shí)間段，計(jì)算工作量巨大，費(fèi)用很髙。
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