高层建筑结构刚度退化与地震作用响应关系的理论分析

田淑英

摘 要：随着经济的发展和城镇化步伐的加快，高层建筑在世界范围内急剧增多，我国成为高层建筑兴建的主要区域。建筑工艺的提升和人们对于建筑形态的多样化需求，使得高层建筑的结构变得更加复杂。高层建筑在兴建过程中，对于结构刚度要求更加严格，必须在高层建筑兴建过程中对抗震性能进行关注。本文将在理论分析的角度，对高层建筑结构刚度退化与地震作用响应关系进行分析，为高层建筑抗震性能设计提供有益的参考。

关键词：高层建筑结构；刚度退化；抗震性能

随着建筑工艺的不断发展和进步，高层建筑的结构和功能更加多样化，结构刚度与高层建筑的抗震设计具有十分紧密的联系。高层建筑在进行设计的过程中，要对抗震性能进行特别的注意，通常会采用弹塑性分析法进行设计，在综合衡量各种影响因素的基础上，确保高层建筑抗震性能的可靠性。高层建筑结构刚度退化与地震响应之间具有紧密的联系，刚度退化将会使高层建筑的内力响应和位移响应同样发生变化。

1 高层建筑结构刚度概述

所谓结构刚度，是指建筑结构本身所固有的性质之一，通常会在荷载作用下发生变形，抵抗一定的形变压力。高层建筑在设计和兴建过程中，必须对建筑结构的刚度进行精密的分析，才能为高层建筑提供更好的抗震性能。高层建筑的抗震结构，必须具备刚度抗侧力系统，对结构的侧向变形进行控制，直接承受地震引起的作用，避免地震对高层建筑的非结构构件造成损伤，实现高层建筑的抗震性能。根据《高层建筑混凝土结构技术规程》的规定，高层建筑的抗震设计可以在性能层面进行系统的研究，并对性能目标、地震动水准、性能水准组合等方面进行了细致的规定。高层建筑在抗震设计的实践过程中必须严格按照国家规定执行，采用先进的技术和分析方法对抗震性能进行设计，其中弹塑性分析法是抗震性能设计中使用的重要手段，在高层建筑的结构设计中具有比较广泛的应用。此方法在分析过程中会受到多种因素的影响，使其计算结果产生误差，比如阻尼取值、材料模型、操作失误等因素，所以必须在设计过程中对分析结果进行合理的评判。

2 高层建筑结构地震作用响应的影响因素

（1）高层建筑结构抗震设计分析评价指标

高层建筑结构在进行基于性能的抗震设计时，通常采用弹塑性分析方法，在对高层结构进行抗震评估时，必须对其宏观指标进行关注。评价指标通常可以分为内力响应指标和变形响应指标两种，在抗震结构设计时，这两个指标的可靠性十分重要。弹塑性分析结果需要对内力响应指标和变形响应指标进行判断，根据国家相关规定，对计算模型和计算结果判断进行全面的评估。通常认为高层建筑结构在进入弹塑性变形阶段之后，经过薄弱部位之时，会出现一定程度的塑性变形，这时这个楼层的层间位移比假定计算得出的层间位移要大。假定计算是按照相同的阻尼比对高层建筑结构的理想弹性进行了假定，计算其在发生大型地震之时出现的层间位移，如果分析得到的数值小于计算得出的数值，则需要对位移数据的合理性进行反复的核查与判断。也就是说，通过弹塑性分析方法对高层建筑的薄弱层进行分析，所得出的层间位移角要比弹性假定计算结果大，但是在实际的高层建筑建设过程中，薄弱层的层间位移角的变化需要根据工程的具体情况而定，并不确定在弹塑性分析中其大小变化。

（2）结构地震作用响应变化的影响因素

在罕遇地震的作用之下，高层建筑的结构会发生一定程度的损伤，并且随着损伤结构的发展，高层建筑结构会在变化基础上做出不同的地震作用响应。如果地震程度相同，通常会有两个因素对结构地震作用响应变化产生影响，一个因素是高层建筑的结构刚度，还有一个因素是阻尼[4]。在地震作用之下，高层建筑的结构会发生不同程度的损伤，而结构损伤发生之后，结构的刚度将会出现明显的下降，导致高层建筑的自振周期与原来相比较長，从而影响地震内力响应程度。高层建筑结构发生了塑性变形，在此过程中会消耗一定的能量，使得高层建筑结构的内力响应与位移响应出现不同程度的降低，可以将这种能量耗散用等效阻尼的形式进行表示。

（3）等效阻尼与高层建筑的刚度折减系数之间具有一定的联系，等效阻尼会随着结构刚度的退化而增加，也就是在高层建筑的结构刚度退化时，弹塑性耗能的等效阻尼比会增加，当结构刚度退化到快要结束之时，等效阻尼比将在一定程度上减小。在弹塑性耗能发生过程中，耗能的能力与结构发生的形变具有很大的关系，同时也与力呈现一定的相关性，使得高层建筑结构遭到严重的破坏之后，滞回环变长。

3 刚度退化与地震作用响应之间的关系分析

高层建筑结构刚度退化率与刚度折减系数会在一定程度下发生重合，当结构刚度系数小于0.6时，刚度退化率所对应的曲线差别会逐渐增大。通常情况下，在罕遇地震的作用下，要求高层建筑结构在设计时，刚度折减系数应该在.06以上，在这个变化范围之内，刚度退化率对阻尼比不会产生太大的影响。在对刚度折减系数与地震内力响应和位移响应之间存在的关系时，可以假设高层建筑结构的总体质量不发生改变，对刚度和阻尼的变化进行研究。通过对弹塑性耗能的等效阻尼比进行分析，可以发现在地震作用之下，刚度与阻尼与地震作用响应之间的关系。

在对高层建筑结构的刚度退化进行计算时，需要对不同的参数进行确定，其中包括建筑结构的自振周期参数，也包含场地特征周期参数，还包括初始的阻尼比参数。通过这三个参数，可以对结构的高度、场地振动参数以及材料类型进行反映，并在此基础上研究其对结构响应的影响规律[5]。高层建筑的刚度折减系数降低之后，结构的地震内力响应也会出现逐渐降低的情况，高层建筑结构的地震内力响应可以用基底总剪力进行表示。高层建筑结构的自振周期不同，会对内力响应造成较大的影响，在刚度折减系数相同的情况下，自振周期长时，内力响应会在较小的幅度内下降。

高层建筑的结构特征周期不同，结构地震内力响应的下降程度也会有所不同，在结构刚度折减情况一致时，场地周期较长，内力响应将会出现十分明显的下降情况。初始阻尼比对弹塑性分析之中的结构内力响应和位移响应具有不同程度的影响，当初始阻尼比不同时，结构内力响应会出现降低，而位移响应则会在一定程度上放大。通过理论分析的方法，可以对高层建筑结构刚度退化与地震作用响应之间的关系进行阐述，但是在实际的高层建筑兴建过程中，地震作用响应不只受到结构刚度的影响，同时也会受到地震波输入等其他因素的影响，所以在高层建筑的实际设计与建设过程中，需要根据具体的问题进行具体的分析，提高高层建筑的抗震性能，使我国的建筑水平呈现整体上的提升。

4 结语

高层建筑在现代化城市建设之中具有重要地位，是一个地区发展成熟的标志之一，我国高层建筑数量逐渐增多，对高层建筑的结构性能也提出了更高的要求。高层建筑结构刚度退化与地震作用响应之间具有紧密的联系，在高层建筑结构抗震性能设计过程中，需要对内力响应、位移响应等影响因素进行准确的评估，根据评估结果对高层建筑的结构抗震性能进行合理的设计，提高高层建筑结构的总体质量水平。

参考文献：

[1]伍敏.高层建筑结构地震损伤与倒塌分析[D].天津大学，2012.

[2]何铭基.带转换高层框架结构基于变形和损伤的抗震性能评估方法研究[D].华南理工大学，2013.

[3]孟焕陵.高层建筑结构的体系判别、合理刚度及扭转计算研究[D].湖南大学，2011.

[4]武成浩.基于桩土共同作用理论的高层结构地震反应分析与抗震性能评估方法研究[D].北京交通大学，2010.

[5]卢啸.超高巨柱—核心筒—伸臂结构地震灾变及抗震性能研究[D].清华大学，2013.

[6]冷元，范存新，唐和生.基于规范的高层建筑风与地震作用的简明对比[J]. 扬州大学学报（自然科学版）.2012（04）.

[7]王浩.散粮平房仓地震作用的计算方法[J].粮食储藏. 1998（01）.

[8]罗弘.谈结构在地震作用下的能量反应分析[J]. 中外建筑. 2005（03）.