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關(guān)于高層鋼結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)數(shù)值計(jì)算方法
2023-09-08 09:14 高層鋼結(jié)構(gòu) 陜西鋼結(jié)構(gòu)
鋼結(jié)構(gòu)優(yōu)良的抗震性能來(lái)源于其良好的變形能力。在地震作用下，當(dāng)高層鋼結(jié)構(gòu)的層間位移較大時(shí)，構(gòu)件必然會(huì)發(fā)生破壞，可見(jiàn)在強(qiáng)烈的地震作用下，高層鋼結(jié)構(gòu)是會(huì)發(fā)生破壞，甚至倒塌的。
由于高層鋼結(jié)構(gòu)的體量龐大，原型結(jié)構(gòu)試驗(yàn)是不可能的，即便大比例模型試驗(yàn)，難度也是非常大的。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，數(shù)值計(jì)算已經(jīng)成為研究高層鋼結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)的主要手段。高層鋼結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)數(shù)值計(jì)算方法有以下四類(lèi)：
一、單自由度模型
單自由度模型高效簡(jiǎn)便，在早期計(jì)算機(jī)分析能力嚴(yán)重不足的時(shí)代，單自由度模型被廣泛應(yīng)用于高層鋼結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)的模擬計(jì)算，并取得很多重要的定性結(jié)論。隨著研究工作的深入，人們發(fā)現(xiàn)，地震震作用下高層鋼結(jié)構(gòu)和構(gòu)件進(jìn)入非線(xiàn)性后，存在嚴(yán)重的損傷集中效應(yīng)，單自由度模型過(guò)于簡(jiǎn)化，無(wú)法真實(shí)反應(yīng)高層鋼結(jié)構(gòu)的損傷效應(yīng)和損傷演化規(guī)律，更無(wú)法真實(shí)再現(xiàn)地震作用下實(shí)際高層鋼結(jié)構(gòu)的倒塌破壞過(guò)程。
二、有限元
有限元由于理論成熟，且有大量通用有限元軟件包做支持，是使用最為廣泛的非線(xiàn)性分析方法。國(guó)內(nèi)外很多研究者基于有限元方法對(duì)高層鋼結(jié)構(gòu)的震害和倒塌進(jìn)行了研究。有限元模擬結(jié)果與地震中高層鋼結(jié)構(gòu)的反應(yīng)符合良好。采用三維有限元建立數(shù)值模型，預(yù)測(cè)高層鋼結(jié)構(gòu)在地震作用下的損傷和倒塌是有可能的。有限元分析利用時(shí)程有限元，通過(guò)探測(cè)高層鋼結(jié)構(gòu)側(cè)向位移的突然增加來(lái)評(píng)定高層鋼結(jié)構(gòu)的倒塌能力。
三、靜力彈塑性分析
隨著計(jì)算機(jī)能力的提高以及高層鋼結(jié)構(gòu)基于性能抗震設(shè)計(jì)的發(fā)展，即與構(gòu)件非線(xiàn)性模型的激勵(lì)彈塑性分析方法得到了廣泛應(yīng)用，在國(guó)內(nèi)外抗震設(shè)計(jì)規(guī)范中都將其列為進(jìn)行非線(xiàn)性地震響應(yīng)計(jì)算的手段。激勵(lì)彈塑性分析假定非線(xiàn)性響應(yīng)與等效單自由度體系的響應(yīng)相關(guān)，等效側(cè)向力沿高層鋼結(jié)構(gòu)的高度在整個(gè)分析過(guò)程保持不變。研究者提出了改進(jìn)的激勵(lì)彈塑性分析方法，如應(yīng)用等效側(cè)向力的時(shí)變分布模式，考慮高階振型影響的模態(tài)激勵(lì)彈塑性分析等。但是彈塑性分析缺乏理論基礎(chǔ)，且不能考慮地震持時(shí)，也不能考慮高層鋼結(jié)構(gòu)往復(fù)振動(dòng)導(dǎo)致非線(xiàn)性變形和滯回?fù)p傷累積效應(yīng)。目前，靜力彈塑性分析主要作為一種近似方法用于高層鋼結(jié)構(gòu)的抗震性能評(píng)價(jià)。
四、增量動(dòng)力分析
增量動(dòng)力分析作為一種有力的工具，研究高層鋼結(jié)構(gòu)從構(gòu)件屈服和非線(xiàn)性響應(yīng)到動(dòng)力失穩(wěn)階段的結(jié)構(gòu)整體行為，用于評(píng)價(jià)高層鋼結(jié)構(gòu)的抗倒塌能力。增量動(dòng)力分析需要進(jìn)行一系列非線(xiàn)性動(dòng)力分析，地震動(dòng)強(qiáng)度度量參數(shù)逐漸增加直至達(dá)到高層鋼結(jié)構(gòu)倒塌能力，獲得地震動(dòng)強(qiáng)度度量參數(shù)關(guān)于高層鋼結(jié)構(gòu)需求參數(shù)的一組曲線(xiàn)。增量動(dòng)力分析計(jì)算量較大，分析結(jié)果與地震動(dòng)強(qiáng)度度量參數(shù)的選擇有關(guān)。增量動(dòng)力分析可對(duì)高層鋼結(jié)構(gòu)的地震過(guò)程進(jìn)行精確數(shù)值計(jì)算，能夠反映高層鋼結(jié)構(gòu)的地震損傷演化規(guī)律，并對(duì)高層鋼結(jié)構(gòu)的抗地震倒塌能力進(jìn)行評(píng)估，是一種非常有效的數(shù)值計(jì)算方法。
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