高层建筑结构地震损伤与倒塌分析

4 高层建筑钢框结构倒塌分析 4.1 损伤积累效应下的地震坍塌分析
2 高层建筑结构构件的重要计算模型 2.1 梁柱计算模型
梁柱计算模型可以分为实体模型和纤维模型两种， 梁柱计算模型可以分为实体模型和纤维模型两种 ， 其中 实体模型是结合实体内部联系以及实体之间的联系对客观事 物的描述， 物的描述 ， 这样的模型可以精细化， 这样的模型可以精细化 ， 高层建筑中模拟构建的一 系列非线性滞回行为， 系列非线性滞回行为 ， 像多维耦合效应、 像多维耦合效应 、 混凝土开裂效应、 混凝土开裂效应 、 几 何非线性效应等； 何非线性效应等 ； 还能让地震时建筑的损伤过程与损伤情况 更加准确的模拟出来。 更加准确的模拟出来 。 通常情况下 通常情况下， ， 高层建筑中采用的是钢 筋与混凝土组成的材料， 筋与混凝土组成的材料 ， 而由钢筋、 而由钢筋 、 混凝土组成的建筑结构实 体模型可以分为分离式、 体模型可以分为分离式 、 组合式、 组合式 、 整体式三种， 整体式三种 ， 这三种模型中 钢筋与混凝土组合的方式不同， 钢筋与混凝土组合的方式不同 ， 其主要作用也存在差异。 其主要作用也存在差异 。另 外， 纤维模型已经有二十多年历史， 纤维模型已经有二十多年历史 ， 被广泛应用在高层建筑架 构非线性动力响应的精细化模拟的领域中， 构非线性动力响应的精细化模拟的领域中 ， 它是根据平截面 假定钢筋与混凝土梁柱结构的构件， 假定钢筋与混凝土梁柱结构的构件 ， 分成若干个区段， 分成若干个区段 ， 然后在 依据每个区段的变形情况来判断总体的变形， 依据每个区段的变形情况来判断总体的变形 ， 还有截面分成 若干个纤维， 若干个纤维 ， 结合每个纤维材料的特性对各纤维力学的特征 进行判断， 进行判断 ， 这样就能得出力变形的关系， 这样就能得出力变形的关系 ， 得出结构构件的相关 非线性滞回性能。 非线性滞回性能 。纤维模型使得高层建筑中非线性反应力进 度与效率的结合得以实现。 度与效率的结合得以实现 。
我国地处环太平洋与欧亚地震带之间， 我国地处环太平洋与欧亚地震带之间 ， 因此我国高层建 筑基本上都面临着地震灾害的威胁 ， 筑基本上都面临着地震灾害的威胁， 钢结构又被普遍运用在 高层建筑结构中， 高层建筑结构中 ， 因此高层建筑钢框结构的倒塌分析具有十 分重要的意义。 分重要的意义 。国内外建筑学者对钢框结构倒塌研究已经小 有成就， 有成就 ， 钢框结构在强震作用下处于一个非线性塑性阶段， 钢框结构在强震作用下处于一个非线性塑性阶段 ， 对 于传统有限元方法所采用的隐式积分矫健是无法进行倒塌过 程分析的， 程分析的 ， 而离散元法虽可以满足结构倒塌产生破坏时的维 系不连续性工作， 系不连续性工作 ， 但是分析该过程的进度时会耗费大量的时 间， 因此需要事先给定出倒塌破坏的模式， 因此需要事先给定出倒塌破坏的模式 ， 在此条件下进行研 究实验分析。 究实验分析 。其实在实际结构的倒塌破坏的模式并不是事先 已知的， 已知的 ， 这也就不能满足分析复杂高层结构倒塌破坏的情况。 这也就不能满足分析复杂高层结构倒塌破坏的情况 。 经过研究发现， 经过研究发现 ， 高层建筑倒塌破坏的实质上是一个损伤 发生以及损坏不断累积、 发生以及损坏不断累积 、 演化的过程。 演化的过程 。 也就是在损伤不断累 积的情况下， 积的情况下 ， 高层建筑的结构材料的功能才会发生退化， 高层建筑的结构材料的功能才会发生退化 ， 最终 导致建筑整体的结构发生倒塌和破坏。 导致建筑整体的结构发生倒塌和破坏 。高层建筑结构中损伤 积累效应下的地震坍塌情况是高层建筑倒塌中最普遍的一种 情况， 情况 ， 建筑学者可以在位置失效破模式的基础上， 建筑学者可以在位置失效破模式的基础上 ， 结构失效的 路径进行追踪分析， 路径进行追踪分析 ， 在模拟钢框结构倒塌破坏的整个过程， 在模拟钢框结构倒塌破坏的整个过程 ， 这 样就能得到研究建筑发生倒塌破坏的模式。 样就能得到研究建筑发生倒塌破坏的模式 。 在这种方式下 在这种方式下， ， 可以让高层钢框结构倒塌破坏的机理得以呈现。 可以让高层钢框结构倒塌破坏的机理得以呈现 。
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前言
根据调查发现， 根据调查发现， 在地震自然灾害中房屋倒塌造成的损失： 在地震自然灾害中房屋倒塌造成的损失 ： 不稳定、 不稳定 、 不合理的房屋建筑使得人员伤亡、 不合理的房屋建筑使得人员伤亡 、 财产损失的数目增 多， 因此相关建筑工作者需要反思和考虑建筑结构抗震的能 力， 尤其是高层建筑， 尤其是高层建筑 ， 更要重视抗震设计， 更要重视抗震设计 ， 下文就针对这个问 题进行分析。 题进行分析 。
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分析研究与探讨
高层建筑结构地震损伤与倒塌分析
马维涛 娄 丹
龙口市规划建筑设计院有限公司
摘 要：近些年来 近些年来， ， 我国经济的的飞速发展， 我国经济的的飞速发展 ， 高层建筑行业也取得了较大的成就， 高层建筑行业也取得了较大的成就 ， 伴随着高层、 伴随着高层 、 超高层建筑兴建， 超高层建筑兴建 ， 其抗震能力 也备受相关认识和探讨。高层建筑结构比较复杂 也备受相关认识和探讨。 高层建筑结构比较复杂， ， 容纳的人口比较密集， 容纳的人口比较密集 ， 一旦发生灾害， 一旦发生灾害 ， 将有无法估量的后果。 将有无法估量的后果 。文章就对高层建 筑结构的地震损伤与倒塌进行简要分析。 筑结构的地震损伤与倒塌进行简要分析 。 关键词： 关键词 ：高层建筑结构 高层建筑结构； ； 地震损伤； 地震损伤 ； 倒塌
4.2
2.2剪力墙计算模型钢筋 、 钢筋、 混凝土剪力墙是现代高层建筑结构中主要抗侧力 构件， 构件 ， 可以有效地吸收地震产生的压力与能量， 可以有效地吸收地震产生的压力与能量 ， 但是钢筋混凝 土的界面尺寸较大， 土的界面尺寸较大 ， 受压变形的性能比较复杂， 受压变形的性能比较复杂 ， 基于其受力特 性的非线性计算模型的研究备受相关重视和关注， 性的非线性计算模型的研究备受相关重视和关注 ， 剪力墙计 算模型可以分为两类， 算模型可以分为两类 ， 一是以固体力学为基础的微观模型； 一是以固体力学为基础的微观模型 ； 二 是以剪力墙为单元的宏观模型。 是以剪力墙为单元的宏观模型 。 其中 其中， ， 微观模型是一种用剪 力墙配合钢筋均匀分布的假设， 力墙配合钢筋均匀分布的假设 ， 与梁柱模型中的实体模型相 似， 可以将钢筋与混凝土的一个连续均匀的材料进行整体单 元复合。 元复合 。 而宏观模型可以满足一个简化工作 而宏观模型可以满足一个简化工作， ， 把剪力墙墙肢 简化成一个单元， 简化成一个单元 ， 宏观模型比较简单， 宏观模型比较简单 ， 而且力学概念特特别清 晰， 能真实的反应出高层建筑结构的的实际形态。 能真实的反应出高层建筑结构的的实际形态 。另外 另外， ， 值得 一提的是宏观模型是国内外学者研究剪力墙时最常用的一种 的计算模型。 的计算模型 。