高层建筑结构地震失效模式优化及损伤控制研究

马晓丽　徐朝辉

【摘 要】随着经济社会的快速发展，我国建筑业在近20年来得到了长远的发展。特别是一些高层以及特高层建筑井喷式的大量出现。但是由于我国处于世界两大地震带结合部位，地壳活动密集，极易发生地震灾害。由于高层建筑独特的结构形式，地震对高层建筑的损害极其严重。所以对高层建筑结构地震失效模式优化及损伤进行相应的控制研究也就显得极其重要。本文对相应的高层建筑防震减灾方面进行相关理论研究与具体实际工作经验相结合，具体进行了以下几点工作：（1）研究高层建筑中钢筋混凝土结构的抗震性能失效模式，找到相应的解决方案及现有问题；（2）通过对高层建筑钢筋混凝土结构非线性地震损伤理论进行研究，判断高层建筑抗震性能关键构件位置；（3）将高层建筑抗震减灾基数计算结果与实际施工情况相对比，判断现今的抗震减灾方法是否具有明显效果

【关键词】高层建筑；核心筒；防震减灾；钢—混凝土结构；薄弱环节；抗震能力

0 概述

强烈的地震会对建筑物特别是高层建筑产生巨大的破坏。虽然国内外学术界对高层建筑防震减灾进行了大量的研究，但是仍然无法有效的保证结构物的倒塌与损伤[1]。由于近些年来我国大量高层建筑的涌现，关于高层建筑防震减灾方面研究的重要性逐渐显现出来。特别是近些年来我国关于钢结构方面防震减灾的本构模型研究更加显得突出[2]。在钢结构方面，Thorburn[3]提出了运用钢板屈曲后强度的理念。Wagg [4]对结构的非线性控制理论方面的最新研究进行了评述。国内的一些学者在总结了国内外的优秀成果后，提出了更加符合我国发展模式以及结构模式的理论成果并运用在实际高层建筑的施工过程中[5]。

1 高层建筑结构抗震分析研究

高层建筑由于地震灾害而导致结构性的破坏不仅仅会在经济上造成极大的损失，也会在社会效应上产生极大的震动。所以对高层建筑结构地震破坏形式分析理论进行研究也就显的极为重要。

1.1 高层建筑梁柱构件抗震性能研究

高层建筑梁柱构件在进行抗震性能研究时，一般采用的力学模型主要有：微观三维实体有限元模型、离散杆系有限元模型以及宏观离散自由度模型。

通过运用微观三维实体有限元模型，我们在实际施工过程中运用计算机模拟了高层建筑中梁柱构件在地震过程中会出现的主要病害问题。通过分别对混凝土单元、钢筋单元等进行有限元分析，得到了一下结果：按照施工标准严格进行施工，可以保证高层建筑中梁柱结构在地震过程中的抗震性能，但是仍然会有一些处于薄弱部位的钢筋混凝土梁柱结构会由于地震的多向力学作用产生诸如混凝土剥落、混凝土开裂、非结构钢筋屈服以及钢筋与混凝土之间产生滑移的情况。这表明单一的增加构件强度与尺寸，不能保证高层建筑在地震过程中减小损伤。

1.2 高层建筑剪力墙抗震性能研究

剪力墙结构作为高层建筑中重要的结构构件，直接决定了高层建筑的抗震减灾性能。由于近些年来，关于剪力墙结构抗震性能研究的巨大突破，关于剪力墙的研究主要分为宏观部分与微观部分。

运用之前的研究成果，并通过运用软件模拟与实际工程经验总结，针对高层建筑剪力墙在地震过程中的受力进行相应的研究我们得到了以下结论：高层建筑中传统的剪力墙在地震过程中并不会由于材料的强度以及构件的尺寸的变化而产生较为明显的抗震性能的变化。但是如果剪力墙结构采用钢板剪力墙的形式，则可以充分利用薄钢板屈曲后强度大的优点保证剪力墙的后续工作性能。

1.3 高层建筑核心筒抗震性能研究

核心筒作为高层建筑结构可靠性的核心构件，直接决定了整个高层建筑的最终结构强度。核心筒在地震过程中耐久性的表现直接决定了高层建筑的寿命。

针对核心筒仍然采用相应的宏观有限元与微观有限元分析方法进行分析。通过软件模拟结果以及相应的实际设计指标与施工质量要求，我们可以看到在高层建筑中核心筒的强度以及疲劳特性直接关系到整个高层建筑的结构寿命。所以，在进行核心筒的设计以及施工时，必须保证材料强度的富余化，只有在保证核心筒材料与疲劳特性的富余化才可以有效的保证高层建筑避免结构强度在地震后失效。

2 高层建筑钢结构薄弱环节基于抗震性能优化的研究

钢混结构以及钢结构的高层建筑在受到地震破坏时具体受害位置决定了破坏程度。所以对于高层建筑关键部位的确定决定了高层建筑物抗震性能优化部位与优化方法

2.1 关键部位确定

高层建筑物在遭受地震灾害时，高层建筑的薄弱部位会首先发生病害。薄弱部位在受到破坏时会直接导致高层建筑物的损坏，但是也有可能在地震过程中这种位置并未直接破坏，但是由于结构性能衰退会导致整体结构的整体抗震性能有较大幅度的衰减。所以关于高层建筑特别是高层建筑钢结构在抗震性能方面关于薄弱结构方面的研究，决定了高层建筑钢结构抗震性能的优劣。

2.2 高层建筑关键部位优化方法

关于高层建筑中较为薄弱的部位，根据大量研究成果以及具体的实际工作经验可以清楚的确定为剪力墙。现今关于剪力墙方面大多数采用的是加强墙身厚度或者简单的加强几何尺寸。根据对高层建筑抗震性能优化以及失效模式研究，我们可以认为：现今单一的增加墙身强度及尺寸的方法，只能在一定程度上增强高层建筑的抗震减灾能力，所以采用钢板剪力墙可以有效的减小薄弱环节受到地震损害的程度。

3 结论

通过针对高层建筑钢筋混凝土结构进行相应的数据模拟与相应的具体实际工作经验，我们得到了以下几点结论：

1）对高层建筑中钢结构的抗震性能失效模式进行相应的理论研究并结合实际工作经验，从而降低抗震薄弱环节数量，并使材料的结构强度得到充分发挥，在减小结构钢用量时，增强高层建筑抗震能力；

2）通过对高层建筑钢—混凝土结构非线性地震损伤理论进行相应研究并通过对实际实验数据对比分析得到了高层建筑钢—混凝土结构抗震性能由混凝土核心筒控制；

3）通过对高层建筑抗震减灾基础计算结果与实际施工对比，得到了仅仅增加结构构筑物的强度与尺寸不能保证高层建筑物抗震减灾效果的提升。

【参考文献】

[1]胡聿贤.地震工程学（第二版）[M].地震出版社，2006.

[2]Fatemi A， Yang L. Cumulative fatigue damage and life prediction theories： A survey of the state of the art for homogeneous materials [J]. International Journal of Fatigue， 1998（20）.

[3]Kachanov LM. Time of the rupture process under creep conditions[J]. Izv. Ak ad.Nauk.SSSR Otd.Tech. Nauk.1958（8）.

[4]Chen WF， Saaleb AF. Constitutive equations for engineering materials. v.2， plasticity and modeling [M].Wiley， 1982.

[5]Chaboche JL. Continuum damage mechanics： Part I-general concepts [J]. Journal of Applied Mechanics， 1988（55）.

[责任编辑：侯天宇]