對高聳塔體結構抗震動力互相作用分析

文/王鴻成 內蒙古電力勘測設計院有限責任公司 內蒙古呼和浩特 010020

對高聳塔體結構抗震動力互相作用分析

文/王鴻成 內蒙古電力勘測設計院有限責任公司 內蒙古呼和浩特 010020

基于對地震災害的認識，對于高聳塔體的研究要采用模型實驗和計算分析相結合得方法。高聳塔體結構抗震研究中地基成為影響建筑物自身抗震的關鍵，除此之外，還有水體和結構自振因素。只有對它們進行多質點簡化體系模型分析，才能增強高聳塔型建筑的抗震功能。

高聳塔體；結構抗震；動力分析

對于高聳塔體結構的抗震研究，可以有效減少地震對于高聳建筑物的破壞作用。在我國，許多高聳建筑物的設計及施工過程中，首要考慮的因素就是建筑結構受力分析以及抗震能力評價。由于高聳塔體結構抗震性能的好壞決定了該建筑物的整體施工水平和質量，所以做好高聳塔體結構抗震研究對施工建筑具有重大意義。

1、高聳塔體結構抗震的重要性

在各種自然災害對建筑物破壞的記錄中，破壞最為嚴重的就是地震。對于新建筑物進行抗震設計和對已建成的建筑進行抗震等級評估是必要的。高聳塔體結構用途廣，遍及各行各業的建筑之中。自21世紀以來，建筑行業發展速度越來越快，高層建筑越來越高，對于自身承載能力的要求，勢必要求高聳建筑圖紙設計上，減輕結構自身重量，優化并產生新合理的結構體系和形式。而對于高聳建筑的一些特殊動力學問題的研究，尤其是高聳結構的復雜動力相互作用要有充分的分析和研判性。對高聳塔體進行結構分析與抗震分析，可以有效降低因地震造成的損害。

在目前的高聳結構設計過程中，特別是受力分析與抗震能力評價成為首要考慮因素。傳統的基于材料力學的設計方案，許多影響因素沒有被考慮進去，而且多以固定地基模型的角度，對高聳塔體的風振反應和地震響應成為主要研究方向。其中應該有必要以高聳結構簡化力學模式作為研究前提下，進行塔體結構多質點簡化體系，進行塔體結構抗震研究。

2、分類和特點

高聳結構的分類主要是從物理模型的角度進行劃分，高聳結構是高度和橫向尺寸較大的構筑物。正是由于橫向符合在承載方面占主導作用，所以結構可以分為自立式和拉線式二種。自立式結構根植于地面，其對地面地基的依賴度較高。拉線式、桅式結構則是通過纖繩的扶持以及地基的作用達到豎立狀態。塔式結構主要以鋼筋混凝土為主要建筑材料，塔身多以圓形為主可以減少風的阻力以及增加剛度并且可以降低施工成本。

3、塔體結構抗震動力互相作用分析情況

3.1 研究方法方面

對于高聳塔體結構研究的方法主要有模型實驗和計算分析方法。

1）模型實驗方法

一方面可以為互相作用研究提供真實可靠的數據，另一方面可以彌補理論分析在實踐中的不足。動力互相作用實驗中，由于無限地基輻射抗模擬和室內模型試驗都對結構動力性質的研究和分析造成困難。原型試驗通過激振試驗以及強震觀測來獲得塔體結構的強震觀測資料以及互相作用產生的效應。模型實驗在高聳塔體結構抗震動力互相作用分析試驗上，不能依照原圖進行建設，然后再進行抗震研究，所以模型實驗方法在高聳塔體抗震研究上有局限性，不能對塔體進行整體研究和實驗。

2)計算分析方式方法

正是由于對于高聳塔體的抗震分析不能完全采取模型實驗演示的方式，所以要采用計算分析方式進行分析。伴隨著電子計算技術的快速發展，出現了以數值計算為主的研究結構動力相互作用的方法。

對于塔體結構的地基部分進行動力相互作用分析時，對地基阻抗建立簡化力學模型的同時，在時域上進行動力計算。將高聳塔體地基簡化為與頻率無關的質量塊、阻尼器以及彈簧等物理元件組成的多自由度集總參分數體系。將模型實驗和計算分析方法綜合運用。

3.2 結構力學原理方面

在一般的工程結構設計中，對于地震荷載計算主要受到計算方法、強度指標以及安全系數限制。結構力學原理主要考慮高聳結構體在水平剪力和彎矩作用下的變形，從而建立起多質點簡化體系模型。較以新技術，如有限元等為基礎的設計方法簡便，并易于采用。基于結構力學方法的基本原理，高聳結構體主要考慮在水平剪力及彎矩作用下的變形問題，運用多質點簡化體系模型進行抗震分析，在塔體受力分析與抗震能力評價過程中占有重要的地位。

3.3 塔體結構研究重點

利用高聳結構體多質點簡化分析模型，以附加項的辦法對大小不一的地基模型進行結構動力分析，建立了統一的地基簡化處理模式。

1）地基模型結構動力分析

高聳塔體結構體的多質點簡化分析模型是一種全套的處理模式，用結構動力矩陣附加項形式，把不同地基模型整合而建立起簡化地基模型處理方式。在設計施工中，應該重視高聳塔體地基對結構動力響應的明顯影響，須選擇比較適合的地基模型進行計算分析。

2）結構自振影響因素

在高聳塔體結構的抗震動力互相作用中，須考慮水體對自身結構自振頻率影響關系，當水位越高平率越低。反之，當水位越低平率越高。

場地土剪切波速的減少，彈性地基結構互相作用下就會出現高聳塔體結構自振頻率降低情況出現，周期同時變大。

高聳塔體的建筑場地土的土質不同，對結構的自振特性也有很大關系，場地土質越軟結構自振周期幅度增加。

3)水體因素

塔體底部不同水位條件下，塔體結構各高程處的變形有明顯不同。水體與塔體薄壁結構動力，二者有一定關聯性，塔體薄壁結構位移與峰值的加速度變化呈線性增長趨勢的部分，其主要是在高聳塔體的水面上方。而水位線以下,剪切內力峰值呈現明顯的三角線性增大趨勢，而彎矩內力峰值也是快速增長狀態，基本中下部水體都呈現近似矩形的分布特性。

對于高聳塔體結構抗震動力互相作用的分析要確立研究方法和研究思路。了解其結構原理以及塔體結構研究的重點——地基。對于高聳塔體結構的自振特性影響因素有一定的了解。處理以上這些能夠影響塔體結構抗震動力相互作用外，如風的阻力和侵蝕、選用材質特性以及施工水平和操作技術等等，這些都能夠影響塔體結構抗震動力互相作用的結果。

結語：

基于對地震對建筑物的破壞力之大，對于高聳塔體結構抗震動力互相作用的分析是十分必要的。在分析抗震動力互相作用時，影響抗震動力的因素很多，如地基、水體以及結構自振方面。所以對于結構抗震動力互相作用研究必須基于多質點簡化體系模型進行抗震分析。

[1]肖琴.高聳塔體結構抗震分析的動力相互作用研究[D].大連理工大學,2008.

[2]李建波,肖琴,林皋.高聳塔體結構抗震設計的動力相互作用模型研究[J].世界地震工程,2010,02:7-12.

[3]李春林.高聳結構風振響應分析研究[D].廣州大學,2007.