高層建筑結(jié)構(gòu)地震失效模式優(yōu)化及損傷控制研究

馬曉麗　徐朝輝

【摘 要】隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的快速發(fā)展，我國(guó)建筑業(yè)在近20年來得到了長(zhǎng)遠(yuǎn)的發(fā)展。特別是一些高層以及特高層建筑井噴式的大量出現(xiàn)。但是由于我國(guó)處于世界兩大地震帶結(jié)合部位，地殼活動(dòng)密集，極易發(fā)生地震災(zāi)害。由于高層建筑獨(dú)特的結(jié)構(gòu)形式，地震對(duì)高層建筑的損害極其嚴(yán)重。所以對(duì)高層建筑結(jié)構(gòu)地震失效模式優(yōu)化及損傷進(jìn)行相應(yīng)的控制研究也就顯得極其重要。本文對(duì)相應(yīng)的高層建筑防震減災(zāi)方面進(jìn)行相關(guān)理論研究與具體實(shí)際工作經(jīng)驗(yàn)相結(jié)合，具體進(jìn)行了以下幾點(diǎn)工作：（1）研究高層建筑中鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的抗震性能失效模式，找到相應(yīng)的解決方案及現(xiàn)有問題；（2）通過對(duì)高層建筑鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)非線性地震損傷理論進(jìn)行研究，判斷高層建筑抗震性能關(guān)鍵構(gòu)件位置；（3）將高層建筑抗震減災(zāi)基數(shù)計(jì)算結(jié)果與實(shí)際施工情況相對(duì)比，判斷現(xiàn)今的抗震減災(zāi)方法是否具有明顯效果

【關(guān)鍵詞】高層建筑；核心筒；防震減災(zāi)；鋼—混凝土結(jié)構(gòu)；薄弱環(huán)節(jié)；抗震能力

0 概述

強(qiáng)烈的地震會(huì)對(duì)建筑物特別是高層建筑產(chǎn)生巨大的破壞。雖然國(guó)內(nèi)外學(xué)術(shù)界對(duì)高層建筑防震減災(zāi)進(jìn)行了大量的研究，但是仍然無法有效的保證結(jié)構(gòu)物的倒塌與損傷[1]。由于近些年來我國(guó)大量高層建筑的涌現(xiàn)，關(guān)于高層建筑防震減災(zāi)方面研究的重要性逐漸顯現(xiàn)出來。特別是近些年來我國(guó)關(guān)于鋼結(jié)構(gòu)方面防震減災(zāi)的本構(gòu)模型研究更加顯得突出[2]。在鋼結(jié)構(gòu)方面，Thorburn[3]提出了運(yùn)用鋼板屈曲后強(qiáng)度的理念。Wagg [4]對(duì)結(jié)構(gòu)的非線性控制理論方面的最新研究進(jìn)行了評(píng)述。國(guó)內(nèi)的一些學(xué)者在總結(jié)了國(guó)內(nèi)外的優(yōu)秀成果后，提出了更加符合我國(guó)發(fā)展模式以及結(jié)構(gòu)模式的理論成果并運(yùn)用在實(shí)際高層建筑的施工過程中[5]。

1 高層建筑結(jié)構(gòu)抗震分析研究

高層建筑由于地震災(zāi)害而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)性的破壞不僅僅會(huì)在經(jīng)濟(jì)上造成極大的損失，也會(huì)在社會(huì)效應(yīng)上產(chǎn)生極大的震動(dòng)。所以對(duì)高層建筑結(jié)構(gòu)地震破壞形式分析理論進(jìn)行研究也就顯的極為重要。

1.1 高層建筑梁柱構(gòu)件抗震性能研究

高層建筑梁柱構(gòu)件在進(jìn)行抗震性能研究時(shí)，一般采用的力學(xué)模型主要有：微觀三維實(shí)體有限元模型、離散桿系有限元模型以及宏觀離散自由度模型。

通過運(yùn)用微觀三維實(shí)體有限元模型，我們?cè)趯?shí)際施工過程中運(yùn)用計(jì)算機(jī)模擬了高層建筑中梁柱構(gòu)件在地震過程中會(huì)出現(xiàn)的主要病害問題。通過分別對(duì)混凝土單元、鋼筋單元等進(jìn)行有限元分析，得到了一下結(jié)果：按照施工標(biāo)準(zhǔn)嚴(yán)格進(jìn)行施工，可以保證高層建筑中梁柱結(jié)構(gòu)在地震過程中的抗震性能，但是仍然會(huì)有一些處于薄弱部位的鋼筋混凝土梁柱結(jié)構(gòu)會(huì)由于地震的多向力學(xué)作用產(chǎn)生諸如混凝土剝落、混凝土開裂、非結(jié)構(gòu)鋼筋屈服以及鋼筋與混凝土之間產(chǎn)生滑移的情況。這表明單一的增加構(gòu)件強(qiáng)度與尺寸，不能保證高層建筑在地震過程中減小損傷。

1.2 高層建筑剪力墻抗震性能研究

剪力墻結(jié)構(gòu)作為高層建筑中重要的結(jié)構(gòu)構(gòu)件，直接決定了高層建筑的抗震減災(zāi)性能。由于近些年來，關(guān)于剪力墻結(jié)構(gòu)抗震性能研究的巨大突破，關(guān)于剪力墻的研究主要分為宏觀部分與微觀部分。

運(yùn)用之前的研究成果，并通過運(yùn)用軟件模擬與實(shí)際工程經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，針對(duì)高層建筑剪力墻在地震過程中的受力進(jìn)行相應(yīng)的研究我們得到了以下結(jié)論：高層建筑中傳統(tǒng)的剪力墻在地震過程中并不會(huì)由于材料的強(qiáng)度以及構(gòu)件的尺寸的變化而產(chǎn)生較為明顯的抗震性能的變化。但是如果剪力墻結(jié)構(gòu)采用鋼板剪力墻的形式，則可以充分利用薄鋼板屈曲后強(qiáng)度大的優(yōu)點(diǎn)保證剪力墻的后續(xù)工作性能。

1.3 高層建筑核心筒抗震性能研究

核心筒作為高層建筑結(jié)構(gòu)可靠性的核心構(gòu)件，直接決定了整個(gè)高層建筑的最終結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。核心筒在地震過程中耐久性的表現(xiàn)直接決定了高層建筑的壽命。

針對(duì)核心筒仍然采用相應(yīng)的宏觀有限元與微觀有限元分析方法進(jìn)行分析。通過軟件模擬結(jié)果以及相應(yīng)的實(shí)際設(shè)計(jì)指標(biāo)與施工質(zhì)量要求，我們可以看到在高層建筑中核心筒的強(qiáng)度以及疲勞特性直接關(guān)系到整個(gè)高層建筑的結(jié)構(gòu)壽命。所以，在進(jìn)行核心筒的設(shè)計(jì)以及施工時(shí)，必須保證材料強(qiáng)度的富余化，只有在保證核心筒材料與疲勞特性的富余化才可以有效的保證高層建筑避免結(jié)構(gòu)強(qiáng)度在地震后失效。

2 高層建筑鋼結(jié)構(gòu)薄弱環(huán)節(jié)基于抗震性能優(yōu)化的研究

鋼混結(jié)構(gòu)以及鋼結(jié)構(gòu)的高層建筑在受到地震破壞時(shí)具體受害位置決定了破壞程度。所以對(duì)于高層建筑關(guān)鍵部位的確定決定了高層建筑物抗震性能優(yōu)化部位與優(yōu)化方法

2.1 關(guān)鍵部位確定

高層建筑物在遭受地震災(zāi)害時(shí)，高層建筑的薄弱部位會(huì)首先發(fā)生病害。薄弱部位在受到破壞時(shí)會(huì)直接導(dǎo)致高層建筑物的損壞，但是也有可能在地震過程中這種位置并未直接破壞，但是由于結(jié)構(gòu)性能衰退會(huì)導(dǎo)致整體結(jié)構(gòu)的整體抗震性能有較大幅度的衰減。所以關(guān)于高層建筑特別是高層建筑鋼結(jié)構(gòu)在抗震性能方面關(guān)于薄弱結(jié)構(gòu)方面的研究，決定了高層建筑鋼結(jié)構(gòu)抗震性能的優(yōu)劣。

2.2 高層建筑關(guān)鍵部位優(yōu)化方法

關(guān)于高層建筑中較為薄弱的部位，根據(jù)大量研究成果以及具體的實(shí)際工作經(jīng)驗(yàn)可以清楚的確定為剪力墻。現(xiàn)今關(guān)于剪力墻方面大多數(shù)采用的是加強(qiáng)墻身厚度或者簡(jiǎn)單的加強(qiáng)幾何尺寸。根據(jù)對(duì)高層建筑抗震性能優(yōu)化以及失效模式研究，我們可以認(rèn)為：現(xiàn)今單一的增加墻身強(qiáng)度及尺寸的方法，只能在一定程度上增強(qiáng)高層建筑的抗震減災(zāi)能力，所以采用鋼板剪力墻可以有效的減小薄弱環(huán)節(jié)受到地震損害的程度。

3 結(jié)論

通過針對(duì)高層建筑鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行相應(yīng)的數(shù)據(jù)模擬與相應(yīng)的具體實(shí)際工作經(jīng)驗(yàn)，我們得到了以下幾點(diǎn)結(jié)論：

1）對(duì)高層建筑中鋼結(jié)構(gòu)的抗震性能失效模式進(jìn)行相應(yīng)的理論研究并結(jié)合實(shí)際工作經(jīng)驗(yàn)，從而降低抗震薄弱環(huán)節(jié)數(shù)量，并使材料的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度得到充分發(fā)揮，在減小結(jié)構(gòu)鋼用量時(shí)，增強(qiáng)高層建筑抗震能力；

2）通過對(duì)高層建筑鋼—混凝土結(jié)構(gòu)非線性地震損傷理論進(jìn)行相應(yīng)研究并通過對(duì)實(shí)際實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比分析得到了高層建筑鋼—混凝土結(jié)構(gòu)抗震性能由混凝土核心筒控制；

3）通過對(duì)高層建筑抗震減災(zāi)基礎(chǔ)計(jì)算結(jié)果與實(shí)際施工對(duì)比，得到了僅僅增加結(jié)構(gòu)構(gòu)筑物的強(qiáng)度與尺寸不能保證高層建筑物抗震減災(zāi)效果的提升。

【參考文獻(xiàn)】

[1]胡聿賢.地震工程學(xué)（第二版）[M].地震出版社，2006.

[2]Fatemi A， Yang L. Cumulative fatigue damage and life prediction theories： A survey of the state of the art for homogeneous materials [J]. International Journal of Fatigue， 1998（20）.

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[4]Chen WF， Saaleb AF. Constitutive equations for engineering materials. v.2， plasticity and modeling [M].Wiley， 1982.

[5]Chaboche JL. Continuum damage mechanics： Part I-general concepts [J]. Journal of Applied Mechanics， 1988（55）.

[責(zé)任編輯：侯天宇]