钢筋混凝土高层建筑结构非线性地震反应分析

钢筋混凝土高层建筑结构非线性地震反应分析

董丽凤覃水强

（华北理工大学建筑工程学院，河北唐山063210）

摘要：钢筋混凝土平面房屋结构非线性分析的研究已有七十多年的历史,早期的各种研究结果都对应着特定的内力与变形状态,很少有人讨论结构在各种复杂荷载作用下的非线性全过程分析。六十年代,计算机及有限元理论的发展,使钢筋混凝土房屋结构的非线性分析研究进入了一个新的时期。以Clough为代表的力学工作者也开始研究在地震作用下的非线性计算理论。经过近三十年来众多学者的并指出其存在的问题。

关键词：高层结构；非线性；地震反应

一、结构抗震理论的发展

近100年来，经过各个国家的学者共同努力，在结构抗震理论的研究方面取得了重大的发展。结构抗震理论的发展可以划分为三个发展阶段：静力理论、反应谱理论和动力理论。

（一）静力理论

水平静力抗震理论最先提出于意大利，日本对它进一步发展，20世纪90年代日本学者大森房吉提出震度法的概念。这个理论认为：结构建筑物所受到的地震作用，可以简单的化为作用于结构的等效水平静力F，其大小等于结构重力荷载G乘以地震系数k，即：

（二）反应谱理论

反应谱是指单质点体系在给定地震加速度作用下的最大反应随自振周期变化的曲线，它同时是阻尼的函数。不同的地震记录、不同的场地特性及震中距的远近对曲线都有影响。建筑抗震设计规范[1](GB50011-2001)所规定的地震影响系数α曲线如图1所示。

图中：

1）直线上升段，周期小于0.1s的区段；2）水平段，自0.1s至特征周期区段，应取最大值(maxα)；3）曲线下降段，自特征周期至5倍特征周期区段，衰减指数应取0.9；4）直线下降段，自5倍特征周期至6s区段，下降斜率调整系数应取0.02；5）α为地震影响系数；6）maxα为地震影响系数最大值；7）gT为特征周期；8）T为结构自振周期；9）1η为直线下降段的下降斜率调整系数；10）2η为阻尼调整系数；11）γ为衰减指数。

（三）动力理论

动力理论是直接通过动力方程求解地震反应，起源于20世纪60年代计算机技术的普及应用。由于地震波为复杂的随机振动，对于多自由度体系振动不可能直接得出解析解，只可采用逐步积分法，而这种方法计算工作量大，只有在计算机应用发展的前提下才能实现。通过直接动力分析可得到结构响应随时间的变化关系，因而该方法又称为时程分析法。多自由度体系地震反应方程为：

二、钢筋混凝土平面房屋结构非线性地震反应分析

（一）结构分析模型：剪切模型是一种最简单的层间模型,它将结构各个部分的质量集中在楼层上,不考虑楼层形变,结构各楼层只有一个水平方向上的自由度,因而结构计算的自由度数目比较少,计算工作量较小。R.W.Clough,K.Muto、尹之潜、林家浩用这种模型研究过钢筋混凝土框架结构的弹-塑性地震反应。H.Umemura建议按照各层柱的两端皆出现塑性铰后的弯矩来推导刚度。朱锦心提出了层间多构件剪切模型,能考虑同一层构件具有不同弹塑性特征参数的情况。

三、存在的问题：

（一）青出博之建议在每一楼层增加一个反映弯曲变形的水平弹簧,形成了所谓的层间剪弯力学模型,然而新增设的水平弹簧的系数在弹塑性阶段如何确定。（二）平面应力元模型模型的主要难点在于,在二维复杂应力状态下,钢筋的力学性能以及混凝土在开裂、裂缝闭合、压碎时的力学性能,以及钢筋、混凝土的结合性能等如何确定。（三）将剪力墙视为平面应力问题进行分析,需要用到平面应力单元模型,该模型可以是三角形、四边形或其它复杂形状,其关键在于如何确定钢筋、混凝土材料力学性质。

参考文献

[1]中国建筑科学研究院.建筑抗震设计规范(GB50011-2001).北京:中国建筑工业出版社,2001,26-40

[2]沈聚敏，张玉梁.弯剪型多自由度体系非弹性地震反应的简化分析.清华大学抗震抗爆工程研究室科学报告集.北京:清华大学出版社，1981,118-128

[3]孙焕纯.平面框架静力弹塑性分析.大连工学院学报，1979,(1):43-55

[4]MelbourneFernaldGiberson.Theresponseofnonlinearmulti-storystructuressubjectedearthquakeexcitation:[CaliforniaUniversityPhDdissertation].USA:CaliforniaUniversity,1967,22-48

作者简介：董丽凤（1992年—），女，壮族，广西贵港人，硕士在读，单位为华北理工大学建筑工程学院，研究方向为工程结构抗震。