強震下高層建筑反應(yīng)模擬方法研究及其平臺開發(fā)

杜 軻

（中國地震局工程力學(xué)研究所，哈爾濱 150080）

（作者電子信箱，杜軻：duke．iem＠gmail．com）

隨著我國城市化進程的加快，高層建筑抗震成為城市防災(zāi)減災(zāi)領(lǐng)域的一個研究重點。震害資料表明，在強震作用下，部分高層建筑嚴重受損或倒塌，直接導(dǎo)致了巨大的人員傷亡和財產(chǎn)損失。為了保證強震作用下高層建筑結(jié)構(gòu)安全，必須加強強震下結(jié)構(gòu)抗震性能的研究，而建立起一個合理有效的強地震作用下高層建筑反應(yīng)模擬方法是實現(xiàn)這個目標的必由之路。然而目前高層建筑在強震下的模擬方法在很多方面還存在問題，如剪力墻非線性分析模型不成熟；多維應(yīng)力狀態(tài)下的材料本構(gòu)有待進一步認識；強非線性在計算中容易迭代不收斂而中止導(dǎo)致不能得到計算結(jié)果等。為了搭建一套可行的高層建筑模擬方法及分析平臺，本文展開了如下研究：

（1）為了提高纖維單元模擬的效率，通過采用基于力插值梁柱單元，使用一個單元就可模擬梁、柱構(gòu)件，這將大大減少單元數(shù)量及自由度數(shù)量，尤其對于高層建筑。提出了在基于力插值梁柱單元中采用固定端部求積節(jié)點的積分方法，在不影響精度的前提下采用更少的單元積分點以提高效率。通過實例分析和“整體框架擬靜力倒塌試驗分析競賽”算例分析，表明了固定端部求積節(jié)點的積分方法在較少的積分節(jié)點下能保證較高的精度，提高了效率。

（2）提出了考慮截面剪切變形的修正基于力插值纖維單元（MFBFE），其截面不再是平截面，而是曲面，用于模擬剪力墻的地震反應(yīng)非線性分析。算例分析結(jié)果表明，分析結(jié)果與試驗結(jié)果吻合較好，成功預(yù)測了構(gòu)件的初始剛度、屈服力、極限力、卸載剛度、殘余位移、延性和能量耗散。通過 “E－Defense四層RC＆PT結(jié)構(gòu)盲測競賽”算例分析，表明了MFBFE單元模擬框架剪力墻結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)分析有較高的精度。

（3）對隱式方法和顯式方法進行了對比分析。實例分析表明，從計算精度來講，隱式方法和顯式方法都能得到較好的精度。從計算效率來講，對于自由度較少的小型結(jié)構(gòu)，隱式方法計算效率遠遠高于顯式方法；對于自由度龐大的大型結(jié)構(gòu)，顯式方法計算效率高于隱式方法。建議處理自由度多的高層建筑彈塑性分析時，采用顯式分析方法。

（4）基于tcl／tk語言開發(fā)了跨平臺交互式圖形用戶界面軟件ViPSea（visual interaction program for structural engineering analysis），它采用交互式的圖形建模、調(diào)用OpenSees計算以及結(jié)果圖形顯示模式，因此可以實時動態(tài)地顯示分析過程和結(jié)構(gòu)反應(yīng)。同時，它是一種跨平臺的軟件，可以在任何X86構(gòu)架的計算機系統(tǒng)上直接運行。ViPSea大大提高了工作效率，為高層建筑非線性實時分析提供一個全新的平臺。

（5）采用VipSea程序?qū)︺氪ǖ卣鹬衅茐膰乐氐亩冀呤须娦糯髽沁M行逐步增量時程分析（IDA）。IDA分析結(jié)果顯示底層和9層是薄弱層，而底層由于各指標基本都為最大值，因此將首先出現(xiàn)破壞，這與震害調(diào)查結(jié)果基本相符。