強震下高層建筑反應模擬方法研究及其平臺開發

杜 軻

（中國地震局工程力學研究所，哈爾濱 150080）

（作者電子信箱，杜軻：duke．iem＠gmail．com）

隨著我國城市化進程的加快，高層建筑抗震成為城市防災減災領域的一個研究重點。震害資料表明，在強震作用下，部分高層建筑嚴重受損或倒塌，直接導致了巨大的人員傷亡和財產損失。為了保證強震作用下高層建筑結構安全，必須加強強震下結構抗震性能的研究，而建立起一個合理有效的強地震作用下高層建筑反應模擬方法是實現這個目標的必由之路。然而目前高層建筑在強震下的模擬方法在很多方面還存在問題，如剪力墻非線性分析模型不成熟；多維應力狀態下的材料本構有待進一步認識；強非線性在計算中容易迭代不收斂而中止導致不能得到計算結果等。為了搭建一套可行的高層建筑模擬方法及分析平臺，本文展開了如下研究：

（1）為了提高纖維單元模擬的效率，通過采用基于力插值梁柱單元，使用一個單元就可模擬梁、柱構件，這將大大減少單元數量及自由度數量，尤其對于高層建筑。提出了在基于力插值梁柱單元中采用固定端部求積節點的積分方法，在不影響精度的前提下采用更少的單元積分點以提高效率。通過實例分析和“整體框架擬靜力倒塌試驗分析競賽”算例分析，表明了固定端部求積節點的積分方法在較少的積分節點下能保證較高的精度，提高了效率。

（2）提出了考慮截面剪切變形的修正基于力插值纖維單元（MFBFE），其截面不再是平截面，而是曲面，用于模擬剪力墻的地震反應非線性分析。算例分析結果表明，分析結果與試驗結果吻合較好，成功預測了構件的初始剛度、屈服力、極限力、卸載剛度、殘余位移、延性和能量耗散。通過 “E－Defense四層RC＆PT結構盲測競賽”算例分析，表明了MFBFE單元模擬框架剪力墻結構地震反應分析有較高的精度。

（3）對隱式方法和顯式方法進行了對比分析。實例分析表明，從計算精度來講，隱式方法和顯式方法都能得到較好的精度。從計算效率來講，對于自由度較少的小型結構，隱式方法計算效率遠遠高于顯式方法；對于自由度龐大的大型結構，顯式方法計算效率高于隱式方法。建議處理自由度多的高層建筑彈塑性分析時，采用顯式分析方法。

（4）基于tcl／tk語言開發了跨平臺交互式圖形用戶界面軟件ViPSea（visual interaction program for structural engineering analysis），它采用交互式的圖形建模、調用OpenSees計算以及結果圖形顯示模式，因此可以實時動態地顯示分析過程和結構反應。同時，它是一種跨平臺的軟件，可以在任何X86構架的計算機系統上直接運行。ViPSea大大提高了工作效率，為高層建筑非線性實時分析提供一個全新的平臺。

（5）采用VipSea程序對汶川地震中破壞嚴重的都江堰市電信大樓進行逐步增量時程分析（IDA）。IDA分析結果顯示底層和9層是薄弱層，而底層由于各指標基本都為最大值，因此將首先出現破壞，這與震害調查結果基本相符。