复杂高层建筑结构抗震分析方法简介

季 立 炯

(同济大学，上海 200000)

复杂高层建筑结构抗震分析方法简介

季 立 炯

(同济大学，上海 200000)

简要介绍了复杂高层建筑结构包含的内容，结合近现代抗震设计理论体系，对底部剪力法、反应谱方法、时程分析方法、静力弹塑性分析方法、增量动力分析方法五种复杂高层建筑结构抗震分析方法作了比较，得出了一些有实用价值的结论。

复杂高层建筑结构，抗震分析方法，理论，设计

1 复杂高层建筑结构

改革开放以来，中国各地兴建了大量的高层建筑，高度不断增加，功能也越来越复杂。而中国作为一个地震多发国家，对复杂的高层建筑的抗震设计理应更加重视。

JGJ 3—2010高层建筑混凝土结构技术规程规定了带加强层的结构、带转换层的结构、连体结构、错层结构、竖向体型收进、悬挑结构等为复杂高层建筑结构。建设部在2003年发布的《超限高层建筑工程抗震设防管理规定》第111号部令，从建筑的高度、平面规则性、竖向规则性三个方面定义了超限高层建筑，并对其抗震设计方法及要求做出相应规定。

2 建筑抗震设计理论

近现代抗震设计理论体系大概有以下几种：

1)静力理论。静力理论始于20世纪初，它假定地震力水平作用于结构质心，而结构为一刚性受力体，地震力的大小为结构重量与地震影响系数的乘积。2)反应谱理论。反应谱理论是于20世纪中期，是在结构动力特性研究的基础上发展起来的理论，它是首次将地面振动与结构动力特性综合考虑的一种理论方法。目前一般计算软件所采用的振型分解反应谱法即属于此类。3)动力理论。动力理论是20世纪70年代～20世纪80年代开始应用的理论。随着结构的线性与非线性理论发展，以及电子计算机技术的应用普及，人们开始可以进行更复杂而准确的计算模拟。另外动力理论也得益于地震反应记录的不断增多。它把地震视作一个时间过程，输入地震动加速度时程，计算每一时刻建筑物的地震反应，来进行抗震设计。4)基于性能的抗震设计理论。20世纪90年代，抗震性能化设计方法成为新发展方向。所谓性能设计，即根据设定的不同的性能目标，通过计算分析找出薄弱部分，并采用加强措施。中国早期的抗震规范的“三水准”的要求，就是属于一般情况的性能设计目标。新版GB 50011—2010建筑抗震设计规范提出的性能化设计，则更为明确，更具操作性。

3 复杂高层建筑结构抗震分析方法比较

《建筑抗震设计规范》和《高层建筑混凝土结构技术规程》对不同建筑结构应采用哪种抗震分析方法作了相应的规定。选取正确的抗震分析方法是建筑结构抗震设计的关键。

1)底部剪力法。

GB 50011—2010建筑抗震设计规范对底部剪力法的适用范围有明确规定：

根据条文第5.1.2条第一款的规定，只有高度低于40 m，沿高度方向刚度、质量均匀分布，且以剪切变形为主的建筑结构，方可采用此法。底部剪力法是一种简化的静力计算方法，可在静力的概念上把握结构的抗震能力，但对于复杂高层建筑结构，底部剪力法显然不能正确分析地震响应。

2)反应谱方法。

GB 50011—2010建筑抗震设计规范规定，除了适用于底部剪力法的结构外，其他均宜采用振型分解反应谱法。

反应谱法考虑了地震动特征和结构自身动力特性之间的关系，并将复杂的动力问题静力化。在振型组合时，当相邻振型的周期比为0.85时，耦联系数大约为0.27，采用SRSS方法进行振型组合误差较小。但当结构各振型频率较接近时，SRSS的计算会有较大误差，此时应采用CQC方法。

反应谱法实为一种拟静力方法，无法反映地震动时间性和结构非线性的影响，也无法找出薄弱部位。

3)时程分析方法。

GB 50011—2010建筑抗震设计规范规定，甲类建筑、特别不规则的建筑、高度超限的建筑，应采用时程分析法。

时程分析法，是一种依据材料及构件的性能对结构动力方程求解的方法。该法综合考虑了场地环境以及地震动频率、持时、振幅三要素的影响进行结构的非线性分析，是一种真正的动力分析方法。但是时程分析法需要输入实际或人工模拟地震波，而不同的地震波所引起的结构反应差别很大。因此在工程实际应用中，当无合适地震波时，较难保证结果的准确性。同时，该方法计算量大，因此一般作为反应谱法等其他简化分析方法的补充，以校核结构薄弱部位，分析能力损伤，避免大震倒塌等。

4)静力弹塑性分析方法。

《建筑抗震设计规范》规定了对于特定的建筑结构需进行弹塑性变形分析。如今，静力弹塑性分析方法(Pushover)已成为抗震性能分析的常用方法。

Pushover分析方法是将单调增加的水平荷载，通过一定模式施加在结构上，进行非线性静力分析。通用建立能力谱和需求谱曲线，以确定结构性能点，并对结构位移、构件变形等进行评价。在水平荷载施加的推覆过程中，注意塑性铰出现的顺序及状态，并在设计中采用局部加强措施保证结构的弹塑性性能满足要求。

5)增量动力分析方法。

增量动力分析(IDA)方法是一种评价结构抗震性能的动力分析方法，近几年才逐渐被应用于工程实际。它是一种基于弹塑性时程分析结果的参数分析方法。IDA方法是将地震动的加速度与一系列比例系数(scale factor)相乘，从而得出多组不同强度的地震动，然后在此地震动基础上，对结构进行非线性、动力时程分析。通过绘制地震动强度(ground motion intensity measure)曲线、结构性能参数(damage measure)，进而得出在地震作用下，结构破坏的全过程。

IDA方法相比于Pushover，引入了增量动力概念，故也称之为“动力推覆方法”。

4 结语

结构抗震设计中，各种分析方法有着各自的优缺点和适用条件。简单来说，底部剪力法是最简化的方法，计算量小，但适用条件有限；振型分解反应谱法概念明确，计算也较便捷，是目前最通用的抗震设计计算方法，但忽略了地震的动力特性，在高层复杂结构抗震计算方面存在问题；时程分析法在计算理论上更合理，但需要足够多并且合理的地震时程波输入，计算量大，效率低；静力弹塑性分析方法和动力增量法可进行建筑的弹塑性分析，能反映结构的非线性变形情况，是性能化设计的必要手段。其中静力弹塑性分析方法计算量相对较小，能较快地对结构的抗震性能做出评估，但不能解决复杂不规则、超高层及长周期结构的问题。在各种弹塑性分析方法，理论上来说，动力增量分析方法是最精确的。但同动力时程分析方法一样，也存在计算量大、阻尼比难以精确确定、地震波选择困难等缺点。

[1] JGJ 3—2010，高层混凝土结构技术规程[S].

[2] GB 50011—2010，建筑抗震设计规范[S].

[3] 周 颖，吕西林，卜 一.增量动力分析法在高层混合结构性能评估中的应用[J].同济大学学报，2010(2)：53-55.

[4] 徐培福，傅学怡，王翠坤，等.复杂高层建筑结构设计[M].北京：中国建筑工业出版社，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，高级工程师

1009-6825(2015)04-0027-02

TU352

A