復雜高層建筑結構抗震分析方法簡介

季 立 炯

(同濟大學，上海 200000)

復雜高層建筑結構抗震分析方法簡介

季 立 炯

(同濟大學，上海 200000)

簡要介紹了復雜高層建筑結構包含的內容，結合近現代抗震設計理論體系，對底部剪力法、反應譜方法、時程分析方法、靜力彈塑性分析方法、增量動力分析方法五種復雜高層建筑結構抗震分析方法作了比較，得出了一些有實用價值的結論。

復雜高層建筑結構，抗震分析方法，理論，設計

1 復雜高層建筑結構

改革開放以來，中國各地興建了大量的高層建筑，高度不斷增加，功能也越來越復雜。而中國作為一個地震多發國家，對復雜的高層建筑的抗震設計理應更加重視。

JGJ 3—2010高層建筑混凝土結構技術規程規定了帶加強層的結構、帶轉換層的結構、連體結構、錯層結構、豎向體型收進、懸挑結構等為復雜高層建筑結構。建設部在2003年發布的《超限高層建筑工程抗震設防管理規定》第111號部令，從建筑的高度、平面規則性、豎向規則性三個方面定義了超限高層建筑，并對其抗震設計方法及要求做出相應規定。

2 建筑抗震設計理論

近現代抗震設計理論體系大概有以下幾種：

1)靜力理論。靜力理論始于20世紀初，它假定地震力水平作用于結構質心，而結構為一剛性受力體，地震力的大小為結構重量與地震影響系數的乘積。2)反應譜理論。反應譜理論是于20世紀中期，是在結構動力特性研究的基礎上發展起來的理論，它是首次將地面振動與結構動力特性綜合考慮的一種理論方法。目前一般計算軟件所采用的振型分解反應譜法即屬于此類。3)動力理論。動力理論是20世紀70年代～20世紀80年代開始應用的理論。隨著結構的線性與非線性理論發展，以及電子計算機技術的應用普及，人們開始可以進行更復雜而準確的計算模擬。另外動力理論也得益于地震反應記錄的不斷增多。它把地震視作一個時間過程，輸入地震動加速度時程，計算每一時刻建筑物的地震反應，來進行抗震設計。4)基于性能的抗震設計理論。20世紀90年代，抗震性能化設計方法成為新發展方向。所謂性能設計，即根據設定的不同的性能目標，通過計算分析找出薄弱部分，并采用加強措施。中國早期的抗震規范的“三水準”的要求，就是屬于一般情況的性能設計目標。新版GB 50011—2010建筑抗震設計規范提出的性能化設計，則更為明確，更具操作性。

3 復雜高層建筑結構抗震分析方法比較

《建筑抗震設計規范》和《高層建筑混凝土結構技術規程》對不同建筑結構應采用哪種抗震分析方法作了相應的規定。選取正確的抗震分析方法是建筑結構抗震設計的關鍵。

1)底部剪力法。

GB 50011—2010建筑抗震設計規范對底部剪力法的適用范圍有明確規定：

根據條文第5.1.2條第一款的規定，只有高度低于40 m，沿高度方向剛度、質量均勻分布，且以剪切變形為主的建筑結構，方可采用此法。底部剪力法是一種簡化的靜力計算方法，可在靜力的概念上把握結構的抗震能力，但對于復雜高層建筑結構，底部剪力法顯然不能正確分析地震響應。

2)反應譜方法。

GB 50011—2010建筑抗震設計規范規定，除了適用于底部剪力法的結構外，其他均宜采用振型分解反應譜法。

反應譜法考慮了地震動特征和結構自身動力特性之間的關系，并將復雜的動力問題靜力化。在振型組合時，當相鄰振型的周期比為0.85時，耦聯系數大約為0.27，采用SRSS方法進行振型組合誤差較小。但當結構各振型頻率較接近時，SRSS的計算會有較大誤差，此時應采用CQC方法。

反應譜法實為一種擬靜力方法，無法反映地震動時間性和結構非線性的影響，也無法找出薄弱部位。

3)時程分析方法。

GB 50011—2010建筑抗震設計規范規定，甲類建筑、特別不規則的建筑、高度超限的建筑，應采用時程分析法。

時程分析法，是一種依據材料及構件的性能對結構動力方程求解的方法。該法綜合考慮了場地環境以及地震動頻率、持時、振幅三要素的影響進行結構的非線性分析，是一種真正的動力分析方法。但是時程分析法需要輸入實際或人工模擬地震波，而不同的地震波所引起的結構反應差別很大。因此在工程實際應用中，當無合適地震波時，較難保證結果的準確性。同時，該方法計算量大，因此一般作為反應譜法等其他簡化分析方法的補充，以校核結構薄弱部位，分析能力損傷，避免大震倒塌等。

4)靜力彈塑性分析方法。

《建筑抗震設計規范》規定了對于特定的建筑結構需進行彈塑性變形分析。如今，靜力彈塑性分析方法(Pushover)已成為抗震性能分析的常用方法。

Pushover分析方法是將單調增加的水平荷載，通過一定模式施加在結構上，進行非線性靜力分析。通用建立能力譜和需求譜曲線，以確定結構性能點，并對結構位移、構件變形等進行評價。在水平荷載施加的推覆過程中，注意塑性鉸出現的順序及狀態，并在設計中采用局部加強措施保證結構的彈塑性性能滿足要求。

5)增量動力分析方法。

增量動力分析(IDA)方法是一種評價結構抗震性能的動力分析方法，近幾年才逐漸被應用于工程實際。它是一種基于彈塑性時程分析結果的參數分析方法。IDA方法是將地震動的加速度與一系列比例系數(scale factor)相乘，從而得出多組不同強度的地震動，然后在此地震動基礎上，對結構進行非線性、動力時程分析。通過繪制地震動強度(ground motion intensity measure)曲線、結構性能參數(damage measure)，進而得出在地震作用下，結構破壞的全過程。

IDA方法相比于Pushover，引入了增量動力概念，故也稱之為“動力推覆方法”。

4 結語

結構抗震設計中，各種分析方法有著各自的優缺點和適用條件。簡單來說，底部剪力法是最簡化的方法，計算量小，但適用條件有限；振型分解反應譜法概念明確，計算也較便捷，是目前最通用的抗震設計計算方法，但忽略了地震的動力特性，在高層復雜結構抗震計算方面存在問題；時程分析法在計算理論上更合理，但需要足夠多并且合理的地震時程波輸入，計算量大，效率低；靜力彈塑性分析方法和動力增量法可進行建筑的彈塑性分析，能反映結構的非線性變形情況，是性能化設計的必要手段。其中靜力彈塑性分析方法計算量相對較小，能較快地對結構的抗震性能做出評估，但不能解決復雜不規則、超高層及長周期結構的問題。在各種彈塑性分析方法，理論上來說，動力增量分析方法是最精確的。但同動力時程分析方法一樣，也存在計算量大、阻尼比難以精確確定、地震波選擇困難等缺點。

[1] JGJ 3—2010，高層混凝土結構技術規程[S].

[2] GB 50011—2010，建筑抗震設計規范[S].

[3] 周 穎，呂西林，卜 一.增量動力分析法在高層混合結構性能評估中的應用[J].同濟大學學報，2010(2)：53-55.

[4] 徐培福，傅學怡，王翠坤，等.復雜高層建筑結構設計[M].北京：中國建筑工業出版社，2005．

Briefly introduction of structure seismic analysis method of complex high-rise buildings

Ji Lijiong

(TongjiUniversity,Shanghai200000,China)

This paper briefly introduced the contents including in complex high-rise building structure, combining with the modern seismic design theory system, compared the bottom shear method, response spectrum method, time history analysis method, incremental dynamic analysis method five kinds of complex tall building structure seismic analysis methods, got some valuable conclusion.

complex high-rise building structure, seismic analysis method, theory, design

2014-11-28

季立炯(1971- )，男，高級工程師

1009-6825(2015)04-0027-02

TU352

A