建筑結(jié)構(gòu)抗震鑒定及加固設(shè)計研究

關(guān)鍵詞：建筑結(jié)構(gòu)；抗震鑒定；加固設(shè)計 

　　1.研究背景及意義 

　　我國是世界上地震多發(fā)國家之一。據(jù)統(tǒng)計，僅內(nèi)陸地區(qū)平均每年發(fā)生145次4級及以上的地震、20次5級及以上的地震、3～4 次 6 級及以上的地震，平均每三年會發(fā)生兩次 7 級及以上的地震。到2009年底，中國大陸建成的180m以上的超高層建筑有104幢，其中200m以上的超高層建筑有55幢，而僅東南沿海地區(qū)的高層建筑就占到75%。隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，還會有更多的高層、超高層建筑建造在這個區(qū)域。顯然，發(fā)生在日本東南海的強(qiáng)烈地震會對我國東南沿海地區(qū)的高層建筑構(gòu)成嚴(yán)重威脅。盡管傳遞到場地下部基巖的地震動強(qiáng)度較小，但在經(jīng)過深軟土層達(dá)到地面后，就可能成為長周期震動十分突出、破壞性極大的強(qiáng)震動。通常把經(jīng)過長距離傳播且處在深厚和軟弱特征的場地土上的地震動稱為遠(yuǎn)場長周期地震動，它與某些和它具有相同或者相近的較長自振周期的建（構(gòu)）筑物容易產(chǎn)生共振效應(yīng)，易使建筑物受到嚴(yán)重的破壞。本文旨在研究遠(yuǎn)場長周期地震動特性，為建于厚軟土層場地上的長周期建筑結(jié)構(gòu)的抗震鑒定及加固設(shè)計奠定基礎(chǔ)。 

　　2.建筑結(jié)構(gòu)抗震鑒定分析方法 

　　在建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計和研究中，常用的地震響應(yīng)分析方法主要有時程分析法、反應(yīng)譜分析法；而彈性反應(yīng)譜法適用于彈性理論，適用彈塑性理論的時程分析法可以分析結(jié)構(gòu)破壞全過程和屈服情況，但由于計算冗長、費機(jī)時而阻礙其廣泛的應(yīng)用，一般對于高層建筑或者大跨度建筑才進(jìn)行非線性動力時程分析。 

　　早在19世紀(jì)80年代，Pushover分析方法就由Freeman等人提出，之后被人們廣泛運用，但傳統(tǒng)推導(dǎo)理論具有許多不足，隨著研究的不斷深入，該法發(fā)展為A-D曲線（能力譜-需求譜曲線）。該法是將結(jié)構(gòu)的能力譜曲線和需求譜曲線繪制在一張圖中進(jìn)行分析，用于評估結(jié)構(gòu)的抗震性能，pushover法作為一種彈塑性地震響應(yīng)分析方法列入我國2001年編制的《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》中，并將其應(yīng)用到建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計中。非線性靜力法主要包括傳統(tǒng)pushover、多模態(tài)pushover分析法（MPA）、適應(yīng)譜pushover分析方法（ASPA）及增量反應(yīng)譜分析方法（IRSA）等。傳統(tǒng)的pushover是基于固定的側(cè)向荷載分布模式，既未考慮高階振型的影響，也未解決由于結(jié)構(gòu)的延性和結(jié)構(gòu)動力特性的改變而引起的應(yīng)力重新分配問題，該法只適用由基本振型控制的建筑結(jié)構(gòu)。 

　　為解決高階模態(tài)影響的問題，R.K.Goel等人提出考慮高階振型影響的模態(tài)靜力非線性分析方法，稱為模態(tài)pushover分析方法（Modal Pushover Analysis，即MPA ）。MPA法首先確定pushover分析中所求結(jié)構(gòu)地震力應(yīng)考慮的所有重要模態(tài)，將每階重要模態(tài)等效為單自由體系，并對每階模態(tài)進(jìn)行一次分析，得到每階模態(tài)下的目標(biāo)位移。因此分析的次數(shù)和結(jié)構(gòu)的重要模態(tài)數(shù)相等；當(dāng)全部重要模態(tài)分析結(jié)束后，用SRSS或CQC方法對結(jié)果進(jìn)行組合計算。 

　　適應(yīng)譜pushover法又稱 ASPA法，ASPA法是在 MPA 法基礎(chǔ)上發(fā)展的。首先假定結(jié)構(gòu)的橫向荷載分布形式，之后每步的荷載大小通過對前一步的瞬態(tài)基底剪力和基礎(chǔ)抗力計算得到。該法在每進(jìn)行一次推倒都進(jìn)行剛度計算，并將計算結(jié)果進(jìn)行組合的同時疊加前一次相關(guān)結(jié)果，并將計算結(jié)果運用到下一步分析中，依此進(jìn)行下去。相比之下，適應(yīng)譜pushover方法比傳統(tǒng) pushover法和MPA法更精確，主要因為該法不僅考慮了高階模態(tài)貢獻(xiàn)，而且把結(jié)構(gòu)損傷對局部抗力和動力特性的影響考慮進(jìn)來，通過對瞬時剛度、質(zhì)量矩陣的求解來更新加載荷載的大小。IRA 法原理和 ASPA 法差不多，在此不多述。 

　　3.建筑結(jié)構(gòu)抗震加固設(shè)計 

　　建筑結(jié)構(gòu)的上部結(jié)構(gòu)和下部結(jié)構(gòu)之間荷載是通過設(shè)置支座傳遞的，支座約束勢必影響到建筑結(jié)構(gòu)的整體剛度，如何能保證在小震作用下結(jié)構(gòu)具有較強(qiáng)的抵抗性，而大震下又有較大滯回能力，從而延長結(jié)構(gòu)的周期的同時降低結(jié)構(gòu)的內(nèi)力，合理的選擇、布置支座形式和剛度大小對建筑結(jié)構(gòu)抗震、避免不必要的附加內(nèi)力尤為關(guān)鍵。為此建筑結(jié)構(gòu)減隔震支座孕育而生，建筑結(jié)構(gòu)減、隔震裝置的發(fā)展始于20世紀(jì)初，70年代就已經(jīng)開始采用板式橡膠支座、鉛芯橡膠支座；在1979年美國率先采用減、隔震系統(tǒng)，摩擦搖擺系統(tǒng)在此時得到運用；在上世紀(jì) 80 年代隨著橡膠生產(chǎn)技術(shù)的提高孕育了高阻尼橡膠支座；隨后液體粘滯阻尼器慢慢的進(jìn)入人們的視野。目前主要常用的支座有板式橡膠支座（記為RB）、盆式橡膠支座、鉛芯橡膠支座（記為 LRB）、高阻尼隔震橡膠支座（記為 HRB）、摩擦擺隔震支座（記為 FPS）。 

　　本文以建筑邊界為非線性邊界進(jìn)行模擬，根據(jù)不同支座的力學(xué)模型建立不同計算模型。研究支座對高層建筑結(jié)構(gòu)的影響，即保持除支座形式外的所有參數(shù)不變，然后比較了在不同支座的建筑結(jié)構(gòu)其對應(yīng)的自振周期、基礎(chǔ)位移及梁板剪力彎矩時程反應(yīng)，來說明各種支座在隔震減震效果，并探討如何選擇各種支座的使用更有益于建筑結(jié)構(gòu)受力，以對未來我國建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計時支座選擇有所裨益。一般建筑結(jié)構(gòu)支座布置時，為使建筑受力對稱、均勻，常規(guī)做法是在建筑結(jié)構(gòu)中部支座布置為固定基礎(chǔ)。通過板式和鉛芯支座組合布置形式來控制建筑結(jié)構(gòu)的受力情況。對于高層建筑結(jié)構(gòu)在不同支座支撐下地震響應(yīng)如何呢？另外，由于不同支座對結(jié)構(gòu)的約束效果不一樣從而導(dǎo)致計算長度不一樣為此本文將探討不同支座下成橋的穩(wěn)定性，從穩(wěn)定性和抗震效果得出有益高層建筑結(jié)構(gòu)支座的選擇。 

　　目前建筑結(jié)構(gòu)支座的研究已經(jīng)從單一支座的抗震性能和減震率到多種支座組合減震效果的研究，單一支座的研究包括支座的各種參數(shù)對結(jié)構(gòu)減震的影響分析。在尚維波文中探討了四種抗震體系對建筑結(jié)構(gòu)減震的效果，包括：常規(guī)、增加固定基礎(chǔ)數(shù)量、液體粘滯阻尼器和鉛芯橡膠支座抗震體系果，結(jié)果表明：鉛芯橡膠支座能使建筑剛度趨于均衡，明顯降低建筑結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)，建議鉛芯橡膠支座用于縱向抗震體系。 

　　試驗結(jié)果表明板式橡膠支座的荷載位移曲線可用線性關(guān)系表示，該種支座下的建筑結(jié)構(gòu)能夠延長自振周期，并降低結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)，不足的是該支座下的建筑結(jié)構(gòu)震后產(chǎn)生較大位移，給震后修復(fù)造成困難。粘滯阻尼器的荷載―位移滯回曲線較為飽滿，具有較好的耗能限位能力；但經(jīng)濟(jì)性而言，粘滯阻尼器相對其它支座而言價格昂貴。有學(xué)者對建筑結(jié)構(gòu)采用非線性時程分析計算后發(fā)現(xiàn)：在順建筑向上設(shè)置黏滯阻尼器后，結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)下降顯著。也有學(xué)者分析了鉛芯支座、板式支座的力學(xué)性能，建議鉛芯支座和盆式支座的適用范圍；在建筑結(jié)構(gòu)加固設(shè)計時如果合理選擇減隔震支座，可以通過優(yōu)化支座力學(xué)參數(shù)以達(dá)到地震位移與地震力平衡的關(guān)系，使結(jié)構(gòu)達(dá)到的抗震加固目標(biāo)。 

　　參考文獻(xiàn)： 

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