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1、刍议高层建筑结构抗震弹塑性研究和方法探析 摘要:随着我国经济的发展，超限高层建筑越来越多，如何评估和保证其在地震作用下的可靠性，是众多结构抗震工作者研究的课题。本文针对在强震作用下,对高层建筑结构的非线性进行了分析.详细讨论了时程分析法,Pushover方法等弹塑性方法的利弊,通过一算例对几种方法进行了比较,完善和发展了MPA方法,算例结果表明MPA方法是可靠适用的.关键词:抗震；高层建筑；结构；方法中图分类号：TU97文献标识码：A6当前世界各国在高层建筑结构抗震设计中,在强烈地震作用下,结构将进入弹塑性阶段,结构刚度发生变化,并
2、出现塑性内力重分布.弹性静力法概念简单,忽略了结构的动力特性和结构的非刚性等重要特性,只适用于固有周期很小的结构,对多高层建筑和具有一定柔性的结构会产生较大的误差.反应谱法能考虑结构的动力特性及其与地震作用之间的相互关系,但它不能给出结构地震反应的全过程,更无法给出各构件进入弹塑性变形阶段的内力和变形状态.为了研究和计算高层建筑结构的弹塑性变形,有必要进行结构的弹塑性分析.目前,结构的弹塑性分析主要分为弹塑性动力分析和弹塑性静力分析两大类.1弹塑性分析方法1.1静力弹塑性分析方法静力弹塑性分析方法(Pushover方法),作为结构地震
3、响应分析的简化方法,其具体实施方法略有不同,基本步骤大致如下:(1)建立结构的模型,求出作用在结构上的竖向荷载并求出结构在竖向荷载作用下的内力,以便和水平荷载作用下的内力进行组合.(2)根据结构的具体情况对结构施加一定量的沿高度呈一定分布的水平荷载,水平荷载施加于各楼层的质心处,逐渐单调增加侧向力,刚好使一个者一批构件进入屈服状态为宜.(3)对于上一步进入屈服的构件,改变其状态,形成一个/新0的结构,修改结构的刚度矩阵并求出/新0结构的自振周期,不断重复第2步直到结构的侧向位移达到预定的目标位移,或是结构变成为机构.记录每一步的结构自
4、振周期并累计每一步施加的荷载.(4)将每一个不同的结构自振周期及其对应的水平力总量与结构自重(重力荷载代表值)的比值(地震影响系数)绘成曲线,也把相应场地的各条反应谱曲线绘在一起,以此来评估结构的抗震性能.6Push-over分析方法能近似地反映结构在地震作用下的弹塑性性能,进而了解和评估结构在地震作用下的内力和变形特性、塑性铰出现的顺序和位置、薄弱环节及可能的破坏机制,近年来受到了普遍关注.但目前Pushover方法主要运用于第一振型控制为主的中高层建筑,如何使该方法能反应高阶振型的影响,一直是研究工作者们致力追求的目标.因为固定荷
5、载分布方式无法考虑高阶振型的影响,和惯性力的重分布,为了进一步满足Pushover分析方法在一些高层建筑结构中的运用,研究人员曾建议采用自适应的侧向荷载分布方式来尽量接近反应随时间变化的惯性力分布[1],但自适应的荷载分布方式概念上较复杂,且计算量较大,违背了Pushover方法简化的初衷,Chopra和Goel[2]等人曾提出了一种在振型分解反应谱法基础上发展的振型Pushover分析方法(THEMODELPUSHOVERANALY-SIS,简称MPA方法),以提高Pushover的分析精度.1.2时程分析方法结构地震反应的弹塑性动
6、力时程分析法,是将建筑物作为弹塑性振动系统,直接输入地面地震加速度记录,对运动方程直接积分,从而获得系统各质点的位移、速度、加速度和结构构件地震剪力的时程变化曲线.时程分析6法考虑了地震动的峰值、频谱特性和持续时间三要素以及结构的动力特性等重要因素,因而该方法能比较准确完整地反映出结构在强烈地震作用下反应的全过程状况,到目前为止,被认为是进行抗震变形验算和震害分析最为精确可靠的方法.然而由于地震的随机性和结构性能的复杂性,及这种方法前后数据处理工作繁冗,对专业理论水平要求高,使其在工程实践的具体运用远远落后于时程分析法的理论研究.1.
7、3MPA方法的基本原理及步骤多自由度弹塑性结构在地震地面运动下动力微分方程中侧向力不再仅仅是侧向位移的函数,其动力微分方程可表示为:假设各振型的耦合作用很小,甚至可以忽略,根据这一假设,式(1)可转化如下:关系可由理想两折线模型得到.其中采用侧向荷载分布,通过Pushover分析确定对应于j振型的基底剪力(V)和顶层位移(U)的关系.把每一条曲线都简化为理想的二折线曲线,其中屈服点的基底剪力为vjy,顶点位移为ujy,A为刚度折减系数.并根据一般等效原则转化为单自由度体系的剪力与顶部位移(Q~D)的关系曲线.以此求得对应于每一振型等效
8、单自由度体系的位移最大值Dj.MPA方法具体实施步骤:(1)质量分布采用堆积质量,根据,计算各振型下侧向荷载分布方式;(2)对应于每一侧向加载方式,由Pushover分析方法推至相应的目标位移为对应于第j振型的顶点位移最
