浅谈高层钢结构的地震反应数值计算
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摘要：尽管钢结构的抗震性能较好，但是在地震作用下，当结构的层间位移较大的时候，也会引起结构的破坏甚至倒塌。本文对目前高层钢结构地震反应的数值计算方法进行了简要的总结。
关键词：高层钢结构 地震反应 数值计算 方法
Abstract: although the steel structure of the seismic performance is better, but under the effects of earthquake, when the structure of displacements of the larger, can also cause structural damage and even collapsed. This paper discusses the present high-rise steel structure seismic response of numerical calculation method are summarized.
Keywords: high-rise steel structure seismic response numerical method
中图分类号：TU391文献标识码：A 文章编号：
钢结构具有良好的抗震性能，但在1994年的美国北岭地震和1995年的日本阪神地震中，钢结构发生了大量破坏，且破坏程度较严重，甚至倒塌。钢结构的优良抗震性能来源于其良好的变形能力，在地震作用下，当结构的层间位移较大时，结构构件势必要发生破坏，可见在强烈的地震作用下，钢结构还是会发生破坏的，甚至倒塌。
高层钢结构体量庞大，原型结构试验是不可能的，即便大比例模型试验，难度也非常大。随着计算机技术的发展，数值计算已经成为研究建筑结构地震反应的最主要手段。建筑结构的地震反应数值计算方法主要有以下四类[1]：
（1）单自由度模型
单自由度模型高效简便，在早期计算机分析能力严重不足的时代，单自由度模型曾被广泛应用于建筑结构地震响应的模拟计算，并取得很多重要的定性结论。随着研究工作的深入，人们发现，地震震作用下结构和构件进入非线性后，存在严重的损伤集中效应，单自由度模型过于简化，无法真实反应结件的损伤效应和结构的损伤演化规律，更无法真实再现地震作用下实际结构的倒塌破坏过程。
（2）静力弹塑性分析
随着计算机能力的提高以及建筑结构基于性能抗震设计的发展，即与构件非线性模型的激励弹塑性分析（Pushover分析）方法的得到了广泛应用，在国内外抗震设计规范中都将其列为进行结构非线性地震响应计算的手段。Pushover分析方法下假定结构的非线性响应与等效单自由度体系的响应相关，等效侧向力沿结构高度在整个分析过程保持不变。研究者提出了改进的Pushover分析方法，如应用等效侧向力的时变分布模式，考虑高阶振型影响的模态Pushover分析等[2][3]。但是弹塑性分析方法缺乏理论基础，且不能考虑地震持时，也不能考虑结构往复振动导致非线性变形和滞回损伤累积效应。目前，静力弹塑性分析方法主要作为一种近似方法用于建筑结构抗震性能评价。
（3）有限元分析
有限元方法由于理论成熟，且有大量通用有限元软件包做支持，是使用最为广泛的结构非线性分析方法。国内外很多研究者基于有限元方法对建筑结构的震害和倒塌进行了研究。有限元模拟结果与地震中结构的反应符合良好。采用三维有限元方法建立数值模型，预测结构在地震作用下的损伤和倒塌灾变过程是可能的。有限元分析方法利用时程有限元，通过探测结构侧向位移的突然增加来评定建筑结构的倒塌能力[4]。
（4）增量动力分析
最近，增量动力分析方法被作为一种有力的工具，研究结构从构件屈服和非线性响应到动力失稳阶段的结构整体行为[5] [6]，用于评价结构的抗倒塌能力[7]。增量动力分析需要进行一系列非线性动力分析，地震动强度度量参数逐渐增加直至达到结构倒塌能力，获得地震动强度度量参数关于结构需求参数的一组曲线。增量动力分析方法计算量较大，分析结果与地震动强度度量参数的选择有关。增量动力分析方法可对高层钢结构的地震灾变过程进行精确数值计算，能够反映高层钢结构的地震损伤演化规律，并能对高层钢结构的抗地震倒塌能力进行评估，是一种非常有效的数值计算方法。
参考文献：
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Vamvatsikos D, Cornell C A. Applied incremental dynamic analysis. Earthquake Spectra, 2004, 20(2): 523-553
Vamvatsikos D, Cornell C A. Direct estimation of seismic demand and capacity of multidegree-of-freedom systems through incremental dynamic analysis of single degree of freedom approximation [J]. Journal of structural engineering, ASCE. 2005,131(4): 589-599.
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