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高層鋼結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)數(shù)值計(jì)算方法
2019-05-29 08:50 高層鋼結(jié)構(gòu) 華邦鋼結(jié)構(gòu)
鋼結(jié)構(gòu)的優(yōu)良抗震性能來源于其良好的變形能力，在地震作用下，當(dāng)結(jié)構(gòu)的層間位移較大時(shí)，結(jié)構(gòu)構(gòu)件勢(shì)必要發(fā)生破壞，可見在強(qiáng)烈的地震作用下，鋼結(jié)構(gòu)還是會(huì)發(fā)生破壞的，甚至倒塌。
高層鋼結(jié)構(gòu)體量龐大，原型結(jié)構(gòu)試驗(yàn)是不可能的，即便大比例模型試驗(yàn)，難度也非常大。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，數(shù)值計(jì)算已經(jīng)成為研究建筑結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)的最主要手段。高層鋼結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)數(shù)值計(jì)算方法主要有以下四類：
一、單自由度模型
單自由度模型高效簡(jiǎn)便，在早期計(jì)算機(jī)分析能力嚴(yán)重不足的時(shí)代，單自由度模型曾被廣泛應(yīng)用于建筑結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)的模擬計(jì)算，并取得很多重要的定性結(jié)論。隨著研究工作的深入，人們發(fā)現(xiàn)，地震震作用下結(jié)構(gòu)和構(gòu)件進(jìn)入非線性后，存在嚴(yán)重的損傷集中效應(yīng)，單自由度模型過于簡(jiǎn)化，無法真實(shí)反應(yīng)結(jié)件的損傷效應(yīng)和結(jié)構(gòu)的損傷演化規(guī)律，更無法真實(shí)再現(xiàn)地震作用下實(shí)際結(jié)構(gòu)的倒塌破壞過程。
二、有限元分析
有限元方法由于理論成熟，且有大量通用有限元軟件包做支持，是使用最為廣泛的結(jié)構(gòu)非線性分析方法。國(guó)內(nèi)外很多研究者基于有限元方法對(duì)建筑結(jié)構(gòu)的震害和倒塌進(jìn)行了研究。有限元模擬結(jié)果與地震中結(jié)構(gòu)的反應(yīng)符合良好。采用三維有限元方法建立數(shù)值模型，預(yù)測(cè)結(jié)構(gòu)在地震作用下的損傷和倒塌災(zāi)變過程是可能的。有限元分析方法利用時(shí)程有限元，通過探測(cè)結(jié)構(gòu)側(cè)向位移的突然增加來評(píng)定建筑結(jié)構(gòu)的倒塌能力。
三、靜力彈塑性分析
隨著計(jì)算機(jī)能力的提高以及建筑結(jié)構(gòu)基于性能抗震設(shè)計(jì)的發(fā)展，即與構(gòu)件非線性模型的激勵(lì)彈塑性分析方法的得到了廣泛應(yīng)用，在國(guó)內(nèi)外抗震設(shè)計(jì)規(guī)范中都將其列為進(jìn)行結(jié)構(gòu)非線性地震響應(yīng)計(jì)算的手段。激勵(lì)彈塑性分析方法下假定結(jié)構(gòu)的非線性響應(yīng)與等效單自由度體系的響應(yīng)相關(guān)，等效側(cè)向力沿結(jié)構(gòu)高度在整個(gè)分析過程保持不變。研究者提出了改進(jìn)的激勵(lì)彈塑性分析方法，如應(yīng)用等效側(cè)向力的時(shí)變分布模式，考慮高階振型影響的模態(tài)激勵(lì)彈塑性分析等。但是彈塑性分析方法缺乏理論基礎(chǔ)，且不能考慮地震持時(shí)，也不能考慮結(jié)構(gòu)往復(fù)振動(dòng)導(dǎo)致非線性變形和滯回?fù)p傷累積效應(yīng)。目前，靜力彈塑性分析方法主要作為一種近似方法用于建筑結(jié)構(gòu)抗震性能評(píng)價(jià)。
四、增量動(dòng)力分析
增量動(dòng)力分析方法作為一種有力的工具，研究結(jié)構(gòu)從構(gòu)件屈服和非線性響應(yīng)到動(dòng)力失穩(wěn)階段的結(jié)構(gòu)整體行為，用于評(píng)價(jià)結(jié)構(gòu)的抗倒塌能力。增量動(dòng)力分析需要進(jìn)行一系列非線性動(dòng)力分析，地震動(dòng)強(qiáng)度度量參數(shù)逐漸增加直至達(dá)到結(jié)構(gòu)倒塌能力，獲得地震動(dòng)強(qiáng)度度量參數(shù)關(guān)于結(jié)構(gòu)需求參數(shù)的一組曲線。增量動(dòng)力分析方法計(jì)算量較大，分析結(jié)果與地震動(dòng)強(qiáng)度度量參數(shù)的選擇有關(guān)。增量動(dòng)力分析方法可對(duì)高層鋼結(jié)構(gòu)的地震災(zāi)變過程進(jìn)行精確數(shù)值計(jì)算，能夠反映高層鋼結(jié)構(gòu)的地震損傷演化規(guī)律，并能對(duì)高層鋼結(jié)構(gòu)的抗地震倒塌能力進(jìn)行評(píng)估，是一種非常有效的數(shù)值計(jì)算方法。
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