对高耸塔体结构抗震动力互相作用分析

文/王鸿成 内蒙古电力勘测设计院有限责任公司 内蒙古呼和浩特 010020

对高耸塔体结构抗震动力互相作用分析

文/王鸿成 内蒙古电力勘测设计院有限责任公司 内蒙古呼和浩特 010020

基于对地震灾害的认识，对于高耸塔体的研究要采用模型实验和计算分析相结合得方法。高耸塔体结构抗震研究中地基成为影响建筑物自身抗震的关键，除此之外，还有水体和结构自振因素。只有对它们进行多质点简化体系模型分析，才能增强高耸塔型建筑的抗震功能。

高耸塔体；结构抗震；动力分析

对于高耸塔体结构的抗震研究，可以有效减少地震对于高耸建筑物的破坏作用。在我国，许多高耸建筑物的设计及施工过程中，首要考虑的因素就是建筑结构受力分析以及抗震能力评价。由于高耸塔体结构抗震性能的好坏决定了该建筑物的整体施工水平和质量，所以做好高耸塔体结构抗震研究对施工建筑具有重大意义。

1、高耸塔体结构抗震的重要性

在各种自然灾害对建筑物破坏的记录中，破坏最为严重的就是地震。对于新建筑物进行抗震设计和对已建成的建筑进行抗震等级评估是必要的。高耸塔体结构用途广，遍及各行各业的建筑之中。自21世纪以来，建筑行业发展速度越来越快，高层建筑越来越高，对于自身承载能力的要求，势必要求高耸建筑图纸设计上，减轻结构自身重量，优化并产生新合理的结构体系和形式。而对于高耸建筑的一些特殊动力学问题的研究，尤其是高耸结构的复杂动力相互作用要有充分的分析和研判性。对高耸塔体进行结构分析与抗震分析，可以有效降低因地震造成的损害。

在目前的高耸结构设计过程中，特别是受力分析与抗震能力评价成为首要考虑因素。传统的基于材料力学的设计方案，许多影响因素没有被考虑进去，而且多以固定地基模型的角度，对高耸塔体的风振反应和地震响应成为主要研究方向。其中应该有必要以高耸结构简化力学模式作为研究前提下，进行塔体结构多质点简化体系，进行塔体结构抗震研究。

2、分类和特点

高耸结构的分类主要是从物理模型的角度进行划分，高耸结构是高度和横向尺寸较大的构筑物。正是由于横向符合在承载方面占主导作用，所以结构可以分为自立式和拉线式二种。自立式结构根植于地面，其对地面地基的依赖度较高。拉线式、桅式结构则是通过纤绳的扶持以及地基的作用达到竖立状态。塔式结构主要以钢筋混凝土为主要建筑材料，塔身多以圆形为主可以减少风的阻力以及增加刚度并且可以降低施工成本。

3、塔体结构抗震动力互相作用分析情况

3.1 研究方法方面

对于高耸塔体结构研究的方法主要有模型实验和计算分析方法。

1）模型实验方法

一方面可以为互相作用研究提供真实可靠的数据，另一方面可以弥补理论分析在实践中的不足。动力互相作用实验中，由于无限地基辐射抗模拟和室内模型试验都对结构动力性质的研究和分析造成困难。原型试验通过激振试验以及强震观测来获得塔体结构的强震观测资料以及互相作用产生的效应。模型实验在高耸塔体结构抗震动力互相作用分析试验上，不能依照原图进行建设，然后再进行抗震研究，所以模型实验方法在高耸塔体抗震研究上有局限性，不能对塔体进行整体研究和实验。

2)计算分析方式方法

正是由于对于高耸塔体的抗震分析不能完全采取模型实验演示的方式，所以要采用计算分析方式进行分析。伴随着电子计算技术的快速发展，出现了以数值计算为主的研究结构动力相互作用的方法。

对于塔体结构的地基部分进行动力相互作用分析时，对地基阻抗建立简化力学模型的同时，在时域上进行动力计算。将高耸塔体地基简化为与频率无关的质量块、阻尼器以及弹簧等物理元件组成的多自由度集总参分数体系。将模型实验和计算分析方法综合运用。

3.2 结构力学原理方面

在一般的工程结构设计中，对于地震荷载计算主要受到计算方法、强度指标以及安全系数限制。结构力学原理主要考虑高耸结构体在水平剪力和弯矩作用下的变形，从而建立起多质点简化体系模型。较以新技术，如有限元等为基础的设计方法简便，并易于采用。基于结构力学方法的基本原理，高耸结构体主要考虑在水平剪力及弯矩作用下的变形问题，运用多质点简化体系模型进行抗震分析，在塔体受力分析与抗震能力评价过程中占有重要的地位。

3.3 塔体结构研究重点

利用高耸结构体多质点简化分析模型，以附加项的办法对大小不一的地基模型进行结构动力分析，建立了统一的地基简化处理模式。

1）地基模型结构动力分析

高耸塔体结构体的多质点简化分析模型是一种全套的处理模式，用结构动力矩阵附加项形式，把不同地基模型整合而建立起简化地基模型处理方式。在设计施工中，应该重视高耸塔体地基对结构动力响应的明显影响，须选择比较适合的地基模型进行计算分析。

2）结构自振影响因素

在高耸塔体结构的抗震动力互相作用中，须考虑水体对自身结构自振频率影响关系，当水位越高平率越低。反之，当水位越低平率越高。

场地土剪切波速的减少，弹性地基结构互相作用下就会出现高耸塔体结构自振频率降低情况出现，周期同时变大。

高耸塔体的建筑场地土的土质不同，对结构的自振特性也有很大关系，场地土质越软结构自振周期幅度增加。

3)水体因素

塔体底部不同水位条件下，塔体结构各高程处的变形有明显不同。水体与塔体薄壁结构动力，二者有一定关联性，塔体薄壁结构位移与峰值的加速度变化呈线性增长趋势的部分，其主要是在高耸塔体的水面上方。而水位线以下,剪切内力峰值呈现明显的三角线性增大趋势，而弯矩内力峰值也是快速增长状态，基本中下部水体都呈现近似矩形的分布特性。

对于高耸塔体结构抗震动力互相作用的分析要确立研究方法和研究思路。了解其结构原理以及塔体结构研究的重点——地基。对于高耸塔体结构的自振特性影响因素有一定的了解。处理以上这些能够影响塔体结构抗震动力相互作用外，如风的阻力和侵蚀、选用材质特性以及施工水平和操作技术等等，这些都能够影响塔体结构抗震动力互相作用的结果。

结语：

基于对地震对建筑物的破坏力之大，对于高耸塔体结构抗震动力互相作用的分析是十分必要的。在分析抗震动力互相作用时，影响抗震动力的因素很多，如地基、水体以及结构自振方面。所以对于结构抗震动力互相作用研究必须基于多质点简化体系模型进行抗震分析。

[1]肖琴.高耸塔体结构抗震分析的动力相互作用研究[D].大连理工大学,2008.

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