高層建筑結構剛度退化與地震作用響應關系的理論分析

吳鎮平

【摘要】隨著經濟的發展和城鎮化步伐的加快，高層建筑在世界范圍內急劇增多，我國成為高層建筑興建的主要區域。建筑工藝的提升和人們對于建筑形態的多樣化需求，使得高層建筑的結構變得更加復雜。高層建筑在興建過程中，對于結構剛度要求更加嚴格，必須在高層建筑興建過程中對抗震性能進行關注。本文將在理論分析的角度，對高層建筑結構剛度退化與地震作用響應關系進行分析，為高層建筑抗震性能設計提供有益的參考。

【關鍵詞】高層建筑結構；剛度退化；抗震性能

前言

隨著建筑工藝的不斷發展和進步，高層建筑的結構和功能更加多樣化，結構剛度與高層建筑的抗震設計具有十分緊密的聯系。高層建筑在進行設計的過程中，要對抗震性能進行特別的注意，通常會采用彈塑性分析法進行設計，在綜合衡量各種影響因素的基礎上，確保高層建筑抗震性能的可靠性。高層建筑結構剛度退化與地震響應之間具有緊密的聯系，剛度退化將會使高層建筑的內力響應和位移響應同樣發生變化。

一、高層建筑結構剛度概述

所謂結構剛度，是指建筑結構本身所固有的性質之一，通常會在荷載作用下發生變形，抵抗一定的形變壓力。高層建筑在設計和興建過程中，必須對建筑結構的剛度進行精密的分析，才能為高層建筑提供更好的抗震性能[1]。高層建筑的抗震結構，必須具備剛度抗側力系統，對結構的側向變形進行控制，直接承受地震引起的作用，避免地震對高層建筑的非結構構件造成損傷，實現高層建筑的抗震性能。根據《高層建筑混凝土結構技術規程》的規定，高層建筑的抗震設計可以在性能層面進行系統的研究，并對性能目標、地震動水準、性能水準組合等方面進行了細致的規定[2]。高層建筑在抗震設計的實踐過程中必須嚴格按照國家規定執行，采用先進的技術和分析方法對抗震性能進行設計，其中彈塑性分析法是抗震性能設計中使用的重要手段，在高層建筑的結構設計中具有比較廣泛的應用。此方法在分析過程中會受到多種因素的影響，使其計算結果產生誤差，比如阻尼取值、材料模型、操作失誤等因素，所以必須在設計過程中對分析結果進行合理的評判。

二、高層建筑結構地震作用響應的影響因素

（一）高層建筑結構抗震設計分析評價指標

高層建筑結構在進行基于性能的抗震設計時，通常采用彈塑性分析方法，在對高層結構進行抗震評估時，必須對其宏觀指標進行關注。評價指標通常可以分為內力響應指標和變形響應指標兩種，在抗震結構設計時，這兩個指標的可靠性十分重要。彈塑性分析結果需要對內力響應指標和變形響應指標進行判斷，根據國家相關規定，對計算模型和計算結果判斷進行全面的評估[3]。通常認為高層建筑結構在進入彈塑性變形階段之后，經過薄弱部位之時，會出現一定程度的塑性變形，這時這個樓層的層間位移比假定計算得出的層間位移要大。假定計算是按照相同的阻尼比對高層建筑結構的理想彈性進行了假定，計算其在發生大型地震之時出現的層間位移，如果分析得到的數值小于計算得出的數值，則需要對位移數據的合理性進行反復的核查與判斷。也就是說，通過彈塑性分析方法對高層建筑的薄弱層進行分析，所得出的層間位移角要比彈性假定計算結果大，但是在實際的高層建筑建設過程中，薄弱層的層間位移角的變化需要根據工程的具體情況而定，并不確定在彈塑性分析中其大小變化。

（二）結構地震作用響應變化的影響因素

在罕遇地震的作用之下，高層建筑的結構會發生一定程度的損傷，并且隨著損傷結構的發展，高層建筑結構會在變化基礎上做出不同的地震作用響應。如果地震程度相同，通常會有兩個因素對結構地震作用響應變化產生影響，一個因素是高層建筑的結構剛度，還有一個因素是阻尼[4]。在地震作用之下，高層建筑的結構會發生不同程度的損傷，而結構損傷發生之后，結構的剛度將會出現明顯的下降，導致高層建筑的自振周期與原來相比較長，從而影響地震內力響應程度。高層建筑結構發生了塑性變形，在此過程中會消耗一定的能量，使得高層建筑結構的內力響應與位移響應出現不同程度的降低，可以將這種能量耗散用等效阻尼的形式進行表示。

等效阻尼與高層建筑的剛度折減系數之間具有一定的聯系，等效阻尼會隨著結構剛度的退化而增加，也就是在高層建筑的結構剛度退化時，彈塑性耗能的等效阻尼比會增加，當結構剛度退化到快要結束之時，等效阻尼比將在一定程度上減小。在彈塑性耗能發生過程中，耗能的能力與結構發生的形變具有很大的關系，同時也與力呈現一定的相關性，使得高層建筑結構遭到嚴重的破壞之后，滯回環變長。

三、剛度退化與地震作用響應之間的關系分析

高層建筑結構剛度退化率與剛度折減系數會在一定程度下發生重合，當結構剛度系數小于0.6時，剛度退化率所對應的曲線差別會逐漸增大。通常情況下，在罕遇地震的作用下，要求高層建筑結構在設計時，剛度折減系數應該在.06以上，在這個變化范圍之內，剛度退化率對阻尼比不會產生太大的影響。在對剛度折減系數與地震內力響應和位移響應之間存在的關系時，可以假設高層建筑結構的總體質量不發生改變，對剛度和阻尼的變化進行研究。通過對彈塑性耗能的等效阻尼比進行分析，可以發現在地震作用之下，剛度與阻尼與地震作用響應之間的關系。

在對高層建筑結構的剛度退化進行計算時，需要對不同的參數進行確定，其中包括建筑結構的自振周期參數，也包含場地特征周期參數，還包括初始的阻尼比參數。通過這三個參數，可以對結構的高度、場地振動參數以及材料類型進行反映，并在此基礎上研究其對結構響應的影響規律[5]。高層建筑的剛度折減系數降低之后，結構的地震內力響應也會出現逐漸降低的情況，高層建筑結構的地震內力響應可以用基底總剪力進行表示。高層建筑結構的自振周期不同，會對內力響應造成較大的影響，在剛度折減系數相同的情況下，自振周期長時，內力響應會在較小的幅度內下降。

高層建筑的結構特征周期不同，結構地震內力響應的下降程度也會有所不同，在結構剛度折減情況一致時，場地周期較長，內力響應將會出現十分明顯的下降情況。初始阻尼比對彈塑性分析之中的結構內力響應和位移響應具有不同程度的影響，當初始阻尼比不同時，結構內力響應會出現降低，而位移響應則會在一定程度上放大。通過理論分析的方法，可以對高層建筑結構剛度退化與地震作用響應之間的關系進行闡述，但是在實際的高層建筑興建過程中，地震作用響應不只受到結構剛度的影響，同時也會受到地震波輸入等其他因素的影響，所以在高層建筑的實際設計與建設過程中，需要根據具體的問題進行具體的分析，提高高層建筑的抗震性能，使我國的建筑水平呈現整體上的提升。

結束語

高層建筑在現代化城市建設之中具有重要地位，是一個地區發展成熟的標志之一，我國高層建筑數量逐漸增多，對高層建筑的結構性能也提出了更高的要求。高層建筑結構剛度退化與地震作用響應之間具有緊密的聯系，在高層建筑結構抗震性能設計過程中，需要對內力響應、位移響應等影響因素進行準確的評估，根據評估結果對高層建筑的結構抗震性能進行合理的設計，提高高層建筑結構的總體質量水平。

參考文獻

[1]伍敏.高層建筑結構地震損傷與倒塌分析[D].天津大學，2012.

[2]何銘基.帶轉換高層框架結構基于變形和損傷的抗震性能評估方法研究[D].華南理工大學，2013.

[3]孟煥陵.高層建筑結構的體系判別、合理剛度及扭轉計算研究[D].湖南大學，2011.

[4]武成浩.基于樁土共同作用理論的高層結構地震反應分析與抗震性能評估方法研究[D].北京交通大學，2010.

[5]盧嘯.超高巨柱—核心筒—伸臂結構地震災變及抗震性能研究[D].清華大學，2013.