超高层结构的抗震设计分析

关键词：超高层结构；抗震设计；研究 

　　1 引言 

　　为保证超高层结构的抗震安全性能，设计者们需要进行中震和大震水准下的抗震分析，这样的话就能更加细致地了解结构和构件在各种地震水准下的受力和变形情况，从而提高高层结构的可靠度。 

　　2 超高层抗震结构的设计原则 

　　首先，结构构件应该具备必要的性能，比如稳定性、承载力、延性等等。结构构件应遵守“强柱弱梁、强剪弱弯、强节点弱构件、强底层柱”的原则，对于比较薄弱的结构环节要尽可能的提高其抗震能力。其次，设置多道抗震防线联合抗震，抗震防线应该不是单独的，应该设置多道防线，然后将这些防线组合成一个抗震结构体系，使得其抗震整体水平加强。最后，对可能出现的薄弱部位，应尽可能提高其抗震能力。在抗震设计中有意识、有目的地控制薄弱层（部位），使之有足够的变形能力又不使薄弱层发生转移，这是提高结构总体抗震性能的有效手段。 

　　3 超高层结构的抗震控制技术 

　　3.1 抗震性能设计方法 

　　抗震中的性能是个广义的概念，在实际中要用位移、力等结构的物理反应参数来表示，因此针对不同的性能就会有不同的设计方法，其中主要有下面两种：一种是针对抗震强度的设计方法，它的原理是先进行抗震强度设计，接着讲参数进行变形验算，但是要将结构性能水平进行更加明确的量化。另一种是针对位移的抗震设计方法，它的原理主要是将整个抗震设计过程的起点用位移来表示，然后假设位移是超高层结构中抗震性能的主要决定因素，只有当位移达到要求后才能进行承载力的验算，这种位移的抗震设计方法有两个好处，一个是可以在设计的开始阶段就能够知道结构性能水平并且让它达到预期目标，另一个是可以避免重复设计。这两种方法的不同之处在于结构地震破坏准则的选取是不一样的，因为地震作用分量和高层结构是不一样的，这样就会使得结构地震破坏模式不一样，从而使得结构破坏准则无法统一起来。但是在实际设计中，工程师们都会把力和位移同时考虑进行，以此来优化结构设计，从而达到最佳效果。在现阶段中，第一种是工程师比较常用的方法，第二种还在研究中。 

　　3.2 时程分析法 

　　时程分析法是对结构物的运动微分方程直接进行逐步积分求解的一种动力分析方法。由时程分析可得到各质点随时间变化的位移、速度和加速度动力反应，并进而可计算出构件内力的时程变化关系。由于此法是对运动方程直接求解，又称直接动力分析法[1]。直接动力分析包括确定性动力分析与非确定性动力分析两大类，即确定性动力分析中的时程分析法与非确定性分析的随机振动分析法，这里主要介绍时程分析法。《抗震规范》规定，重要的工程结构，例如：大跨桥梁，特别不规则建筑、甲类建筑，高度超出规定范围的高层建筑应采用时程分析法进行补充计算。时程分析的意义在于：我国规范规定的抗震计算是以反应谱理论为基础、时程分析方法为补充的。对超高层结构进行时程分析的目的在于了解结构在地震过程中的受力和位移变化情况观察以及观察结构是否存在薄弱环节，从而可以针对振型分解反应谱方法中的不足进行加强并且增加结构抗震设计的安全性。在此基础上要注意的是不要采用太强烈的地震波，因为如果使用太强烈的地震波就会提高结构的设防水准，从而失去时程分析作为反应谱方法补充计算的意义。 

　　3.3 底部剪力法 

　　高度不超过40m，以剪切变形为主且质量和刚度沿高度分布比较均匀的高层建筑结构，可采用底部剪力法。底部剪力法适用于基本振型主导的规则和高宽比很小的结构，此时结构的高阶振型对于结构剪力的影响有限，而对于倾覆弯矩则几乎没有什么影响，因此采用简化的方式也可满足工程设计精度的要求。底部剪力法尚有一个重要的意义就是我们可以用它的理念，简化的估算建筑结构的地震响应，从而至少在静力的概念上把握结构的抗震能力，它还是很有用的。 

　　3.4 反应谱分析方法 

　　从概念上讲，反应谱是在特定的地震波作用下，单自由度体系的某一响应量值与自振周期的关系曲线。这里注意两个概念，一是单自由度，二是特定的地震作用。其实，反应谱可分为地震反应谱和设计反应谱两种，工程上用得最为广泛的是设计反应谱，是根据多条地震反应谱由统计的方法取平均或取包络并通过人为调整最终得到的，存在一些人为的调整因素。反应谱与以下几个因素有关，首先，设防烈度决定反应谱曲线地震响应的最大值；其次，设计地震分组和场地类别决定了特征周期。也许不少人对特征周期这个概念比较含糊，不知道究竟是什么。其实，我的理解，特征周期就是设计反应谱曲线下降段对应的结构周期值，很大程度上属于人为定义的概念。当特征周期取得大一些，我们会发现设计反应谱曲线对应数值一般将变大。这就是为什么01抗震规范较89抗震规范不同，在特征周期上就做了调整使之增大，从而人为加大了地震作用的计算值，从某种意义上加大了结构的抗震安全储备。再次，设计反映谱还和结构的阻尼比有关。结构的阻尼比越小，反应谱曲线的数值一般就越大。这是因为阻尼是阻碍结构振动的一种能量削弱，因此从结构概念上讲，阻尼越大对结构越有利。这就是为什么现在耗能减震技术在抗震领域非常有用的一个原因。虽然振型分解反应谱法仅适用于线弹性结构，但这种方法仍是工程界最为广泛使用的地震作用方法，其概念明确，而且计算精度能满足工程要求，且软件操作便捷易懂，便于工程技术人员掌握。 

　　3.5 随机地震反应分析法 

　　这种方法指的是通过对随机地震动加速度的观察记录，并将这些记录数据积累起来，从而发现它的随机性和特殊性，这样的话就可以采用随机过程理论对地震动进行描述以及对结构的地震反应进行分析。这种分析方法将地震动与结构地震反应看做是随机现象，所以我们可以求出其统计特性，或者是得出其出现概率意义上的最大反应。对于反应谱分析法中的振型组合问题这种方法可以较好的解决，使抗震设计从安全系数法向概率理论过度。其实，随机地震反应分析法和反应谱法是同时进行的，只是前者是从随机的观点出发来处理地震引起的结构反应。 

　　4 结束语 

　　综上所述，在超高层结构的设计中，抗震的设计尤为重要。如果在这一环上没有控制好，就会造成严重的灾难。在本文中分析了基于性能的抗震技术，基于性能的抗震设计是抗震设计发展的一种趋势，我国的超限高层建筑设计也开始应用，并取得了一定进展，相信这种技术会越来越得到发展。 

　　参考文献： 

　　[1]徐培福，戴国莹.超限高层建筑结构基于性能抗震设汁的研究[J].土木工程学报，2005，38（1）：1-10. 

　　[2]柳炳康等.建筑结构抗震分析[J].中国科学技术出版社，1996. 

　　[3]吴骏.浅谈超高层结构的抗震和超限设计[J].土木工程学报.2010.26（2）