高層鋼結構的地震反應數值計算方法
2019-05-29 08:50 高層鋼結構 華邦鋼結構
鋼結構的優良抗震性能來源于其良好的變形能力，在地震作用下，當結構的層間位移較大時，結構構件勢必要發生破壞，可見在強烈的地震作用下，鋼結構還是會發生破壞的，甚至倒塌。
高層鋼結構體量龐大，原型結構試驗是不可能的，即便大比例模型試驗，難度也非常大。隨著計算機技術的發展，數值計算已經成為研究建筑結構地震反應的主要手段。高層鋼結構的地震反應數值計算方法主要有以下四類：
一、單自由度模型
單自由度模型高效簡便，在早期計算機分析能力嚴重不足的時代，單自由度模型曾被廣泛應用于建筑結構地震響應的模擬計算，并取得很多重要的定性結論。隨著研究工作的深入，人們發現，地震震作用下結構和構件進入非線性后，存在嚴重的損傷集中效應，單自由度模型過于簡化，無法真實反應結件的損傷效應和結構的損傷演化規律，更無法真實再現地震作用下實際結構的倒塌破壞過程。
二、有限元分析
有限元方法由于理論成熟，且有大量通用有限元軟件包做支持，是使用為廣泛的結構非線性分析方法。國內外很多研究者基于有限元方法對建筑結構的震害和倒塌進行了研究。有限元模擬結果與地震中結構的反應符合良好。采用三維有限元方法建立數值模型，預測結構在地震作用下的損傷和倒塌災變過程是可能的。有限元分析方法利用時程有限元，通過探測結構側向位移的突然增加來評定建筑結構的倒塌能力。
三、靜力彈塑性分析
隨著計算機能力的提高以及建筑結構基于性能抗震設計的發展，即與構件非線性模型的激勵彈塑性分析方法的得到了廣泛應用，在國內外抗震設計規范中都將其列為進行結構非線性地震響應計算的手段。激勵彈塑性分析方法下假定結構的非線性響應與等效單自由度體系的響應相關，等效側向力沿結構高度在整個分析過程保持不變。研究者提出了改進的激勵彈塑性分析方法，如應用等效側向力的時變分布模式，考慮高階振型影響的模態激勵彈塑性分析等。但是彈塑性分析方法缺乏理論基礎，且不能考慮地震持時，也不能考慮結構往復振動導致非線性變形和滯回損傷累積效應。目前，靜力彈塑性分析方法主要作為一種近似方法用于建筑結構抗震性能評價。
四、增量動力分析
增量動力分析方法作為一種有力的工具，研究結構從構件屈服和非線性響應到動力失穩階段的結構整體行為，用于評價結構的抗倒塌能力。增量動力分析需要進行一系列非線性動力分析，地震動強度度量參數逐漸增加直至達到結構倒塌能力，獲得地震動強度度量參數關于結構需求參數的一組曲線。增量動力分析方法計算量較大，分析結果與地震動強度度量參數的選擇有關。增量動力分析方法可對高層鋼結構的地震災變過程進行精確數值計算，能夠反映高層鋼結構的地震損傷演化規律，并能對高層鋼結構的抗地震倒塌能力進行評估，是一種非常有效的數值計算方法。
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