高层建筑场地边坡抗地震倒塌能力评估模型分析

苑东亮,赵一帆



高层建筑场地边坡抗地震倒塌能力评估模型分析

苑东亮,赵一帆

河南理工大学土木工程学院, 河南 焦作 454000

针对传统的抗地震倒塌能力评估模型存在着地震倒塌能力评估时间较长、评估系数与实际抗倒塌能力系数偏差较大等问题，本文提出一种基于等效单自由度的高层建筑场地边坡抗地震倒塌能力评估模型。考虑-Δ效应对高层建筑场地边坡抗地震倒塌能力的影响，构建了-Δ效应的等效单自由度模型，根据该模型获取边坡结构侧移与结构顶点位移，用于构建运动微分方程，对其模型中的参数进行计算；对计算结果进行转换，构建等效单自由度体系，计算边坡结构不同周期延性需求，获取边坡结构延性需求谱，计算延性需求谱对应等效周期，在等效周期内对建筑边坡结构抗地震倒塌能力进行评估。实验结果证明，所提模型可以快速、精确地对建筑边坡结构抗地震倒塌能力进行评估。

高层建筑; 抗震; 评估模型

地震危害时有发生，而地震中发生倒塌，会造成很严重的生命损害[1]，针对大型的建筑抗地震倒塌能力研究已成为当今社会研究的焦点[2]，而传统的抗地震倒塌能力评估模型单纯的从总体角度进行考察，得到的结果比较粗糙，不能精确的反映出高层建筑场地边坡抗地震倒塌能力，引起了专家学者们广泛关注，并研究出很多好的方法。

文献[3]提出一种基于ANSYS的高层建筑场地边坡抗地震倒塌能力评估模型，通过有限元软件ANSYS构建高层建筑场地边坡空间计算模型，分析了高层建筑场地边坡结构动力特性。运用非线性时程分析法计算边坡结构在40年超越概率15%和5%两种地震水平作用下的地震响应，并依据边坡结构的能力需求评估该建筑结构的抗震性能。该模型给出的评估系数与实际抗倒塌能力系数偏差较大。文献[4]提出了一种基于RC框架结构的抗地震倒塌能力评估模型，分析边坡结构抗弯承载力与弯曲屈服相应的剪力以及受剪承载力比等参数对结构抗倒塌能力的影响，并分 析了这三者对边坡结构抗倒塌性能影响的相关性，结合此特性构建了边坡结构抗倒塌能力评估模型。该模型对抗地震倒塌能力评估所需要的时间较长。文献[5]提出一种脉冲型地震动作用下边坡结构抗倒塌能力评估模型。以非线性有限元软件为仿真平台，选择多条有明显脉冲的高层建筑场地边坡结构地震动记录，以边坡结构基准周期相应谱加速度为强度评价指标调整原始边坡结构震动记录；并对边坡结构进行增量动力分析，同时统计增量动力分析结果，根据其结果评估边坡结构的抗震倒塌能力。该模型对抗地震倒塌能力评估的效率较低。

针对上述问题，提出一种基于等效单自由度的高层建筑场地边坡抗地震倒塌能力评估模型。实验结果表明，所提评估模型具有评估时间较短、评估系数与实际抗倒塌能力系数偏差较小的优势。

1 边坡抗震倒塌能力评估模型

1.1 创建等效单自由度模型及相关参数分析

相对于等效单自由度体系，考虑与不考虑-D效应的屈服强度*和*0间的关系为：

上式中：θ代表弹性稳定函数。

上式中：0表示不考虑-D效应的的高层建筑场地边坡的等效周期。

运用弹性稳定参数θ和非弹性稳定参数θ的大小来反应-D效应对等效单自由度体系的影响，在其θ与θ范围内，该体系中的推覆曲线的转角不同。正常情况下，θ比θ大。在推覆曲线上运用同样弹性稳定参数的方法，降低了-D效应对高层建筑场地边坡的等效周期的影响，因此要考虑-D效应影响同时，在推覆曲线上建立一条辅助曲线，转角为θ曲线绘制基本过程为：

（2）考虑-D效应，由辅助曲线与原结构框架曲线所得的屈服刚度相等，即：

（3）辅助曲线的硬化系数α与原结构框架曲线硬化系数α0相同：α=α0(8)

如原边坡结构框架曲线的硬化系数很小，设定屈服后的曲线斜度与原边坡结构框架曲线斜度相同，得到修正后的等效单自由度体系。具体过程如下：

等效单自由度体系辅助曲线能够在其模型的分析过程中直接使用相关系数，对等效单自由度体系计算过程中，将θ作为滞回曲线的转角。

1.2 抗地震倒塌能力评估

根据已获得的自由度模型相关参数，将其转化为等效单自由度体系，通过自由度模型，对相应的多自由度体系的反应与抗震性能进行评估。

通过上述过程获取的等效单自由度体系的各项参数，直接获取延性需求谱对应的等效周期*的结构延性需求*，具体过程如下式：*=**(11)

根据高层建筑场地边坡结构的延性需求谱分别求得高层建筑场地边坡结构体系的顶点位移1=*与最大层间延性需求max=*。

2 仿真实验证明

为验证所提高层建筑场地边坡抗地震倒塌能力评估模型的综合有效性，进行仿真实验，实验环境为：Intel(R)Core(TM)i5-3470 CPU 3.20 GHz，8 GB内存的PC机，通过MATLAB 7.6编程实现。

实验过程中，选取文献[3]模型、文献[4]模型与所提模型进行评估时间（s）对比（图1）。

由图1可知，当实验次数小于10次时，三种评估模型评估时间差距较小，但随着实验次数的不断增加，三种评估模型评估时间逐渐拉开差距，当实验次数增加到50次时，所提评估模型的评估时间为21 s，文献[4]评估模型为79 s，此时文献[4]评估模型与所提评估模型的评估时间相差最大，为58 s。因此，所提模型在抗地震倒塌能力上具有一定的优越性能。

为了进一步验证所提方法的综合有效性，将所提模型与文献[3]评估模型、文献[4]评估模型的边坡结构强度折减系数与真实结果进行对比，其中，边坡结构强度折减系数单位为常数（图2）。

图 1 不同模型抗地震倒塌能力评估时间对比

图 2 不同模型的强度折减系数对比

由图2可以看出，文献[3]模型评估的强度折减系数与实际结果相差最大，当实验次数为15次时，所提模型强度折减系数为0.48，文献[3]模型评估的强度折减系数为0.36，此时文献[3]模型给出的评估结果首次与实际结果较为接近，随着试验次数的不断增加，文献[3]模型评估的强度折减系数与实际评估结果差距越来越大，而所提模型评估的强度折减系数更贴近实际，说明评估结果精度更高。

3 结语

针对传统的抗地震倒塌能力模型的评估时间较长、评估系数与实际抗倒塌能力系数偏差较大等问题，提出了一种新的高层建筑场地边坡抗地震倒塌能力评估模型。实验结果表明，所提模型与传统模型相比，所提模型对抗地震倒塌能力的评估时间较短、评估系数与实际抗倒塌能力系数偏差较小，具有较好的应用价值。

[1] 丁声荣,霍艳华.混凝土结构建筑物抗震加固强度测试仿真[J].计算机仿真,2017,34(8):429-432

[2] 袁世聪,蒋欢军.不同类型连梁框架-核心筒结构抗震性能研究[J].振动与冲击,2017,36(12):169-174

[3] 赵人达,许智强,邹建波,等.基于ANSYS的大跨斜拉桥地震响应分析及性能评估[J].建筑科学与工程学报,2018,35(4):19-26

[4] 梁丹,梁兴文.RC框架结构抗地震倒塌性能评估的简化方法[J].工程力学,2017,34(2):102-110

[5] 韩建平,张丽丽,徐阳.近断层脉冲型地震动作用下RC框架结构抗整体性倒塌能力分析[J].结构工程师,2017,33(1):32-42

Analysis on Evaluation Model of Earthquake Resistance Collapse of High-rise Building Site Slope

YUAN Dong-liang, ZHAO Yi-fan

454000,

Aiming at the traditional anti-seismic collapse ability evaluation model, there are some problems such as long evaluation time of earthquake collapse ability, large deviation between evaluation coefficient and actual anti-collapse capability coefficient, and a seismic high-rise building site slope based on equivalent single degree of freedom is proposed. Collapse ability assessment model. Considering the influence of-Δ effect on the seismic collapse resistance of high-rise building site slope, the equivalent single-degree-of-freedom model of-Δ effect is constructed. According to the model, the lateral displacement of the slope structure and the displacement of the structure vertex are obtained, which is used to construct the motion. Differential equations are used to calculate the relevant parameters of the equivalent single-degree-of-freedom model. The equivalent single-degree-of-freedom system is constructed by transforming, calculating the different periodic ductility requirements of the slope structure, obtaining the ductility demand spectrum of the slope structure, and calculating the correspondence of the ductility demand spectrum. The effectiveness cycle evaluates the seismic collapse resistance of the building slope structure during the equivalent period. The experimental results show that the proposed model can quickly and accurately evaluate the seismic collapse resistance of building slope structures.

High-rise builiding; earthquake resistance; evaluation model

TU973+.31

A

1000-2324(2019)01-0118-03

10.3969/j.issn.1000-2324.2019.01.026

2018-03-12

2018-06-01

苑东亮(1972-),男,博士,副教授,研究方向:土木工程. E-mail:zhaofan19920320@2980.com