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摘 要：未来的高层建筑结构将朝着多层化、超高化、轻质化及抵抗灾害能力高强化方向发展，这将造成高层建筑结构抗震性能目标化设计要求也越来越高。目前社会的发展对建筑结构加固技术的推动也迫在眉睫，从结构抗震性能目标位移角限值标准来对结构抵抗地震灾害的能力进行判别，提高对结构加固过程中薄弱环节判断的水平。本文以灾害能量质环理论为研究向导，研究灾害能量在载体介质中的传播演化机理关系，通过分析地震能量演化各环节的致灾规律，为高层建筑结构在能量作用下的破坏薄弱点的判断作理论基础，采用通用有限元软件MIDAS/GEN建立高层建筑结构分析模型，进行结构在静力弹塑性（Pushover）分析及时程分析研究，实现高层建筑结构对地震灾害预警技术不断成熟化作参考。
关键词：能量质环理论；高层建筑；薄弱环节；致灾机理；灾害预警；耗能减震
中图分类号：TU31 文献标志码： A
引言
随着高层建筑结构的快速发展，对于结构抗震性能的研究越来越重要，目前高层建筑结构的加固成为社会发展的趋势。针对性地进行结构加固首先需要对结构在地震灾害作用下破坏机理的研究，从能量链演化各环节对结构的动力反应进行逐步分析，并采用相关有限元软件对结构进行定量分析，实现理论研究与定量分析相结合的技术手段，为弱势环节的判断与结构加固设计高效化发展提供技术参考。
1.高层建筑结构加固技术的发展
鉴于已建建筑的使用不断接近设计使用年限，建筑结构加固作为研究领域之一将逐步成为未来社会发展与抗震减灾的一项重要研究工作。
1.1 高层建筑结构抗震设计的发展过程
在二十世纪四十年代，著名的美国学者Biot通过若干地震记录工作后，第一次提出了反应谱的概念[1]，这是抗震研究的开端；到了五十年代初，研究学者Housner将反应谱应用到了抗震设计当中，这使得结构抗震设计大跨步的向前发展，通过Housner一段时间的苦心研究，在抗震设计领域实现了结构地震反应动力计算工作，之后该方法被称为时程分析法。
1.2 基于结构抗震性能的设计方法
目前对于高层建筑结构加固技术的研究由静力法逐步向反应谱法进行过渡，国内外对于这方面的研究已接近成熟化。于二十世纪九十年代发生在美国西岸的洛杉矶城6.7级大地震及日本阪神7.2级的大地震，震后发现建筑结构倒塌破坏并不是很多，但是对当地造成了很大的经济损失。
我国不断吸取外国对于抗震加固设计方面的研究经验及国内无数致力于抗震设计方面的研究者大量的实验研究，并在规范中提出了结构抗震设计的两阶段设计方法，即设计的第一阶段主要以反应谱设计方法进行研究，第二阶段则以结构弹塑性时程分析为研究核心。通过该方法借鉴，我国在抗规中提出了基于性能化研究结构抗震的新思路，并在我国取得了很大的发展空间。
2.高层建筑结构破坏机理研究
本文主要研究地震能量链演化机理[2]及对高层建筑结构的动力响应，从能量致灾角度研究灾害能量在载体介质中演化行径及对高层建筑构件的破坏作用影响，作为探究结构在地震能量作用下薄弱环节确定的理论基础。
2.1 地震能量链式演化形态
地震能量链式演化形态非常复杂，突变理论[3]认为，地震灾害的诱发需要一段过程的演化，地震能量链式演化关系主要以能量链的演化与承载介质颗粒形态波动的转化为研究方向。地震能量在载体介质中的传输、积聚、演化发展、爆发呈现了能量链演化的主要形态，即地震能量以波的形式在载体介质传播，此过程伴随着能量的不断积聚，当累积到一定程度地震能量将以能量质点的形式存在，能量质点将以破坏力的形式作用于介质颗粒。能量质点在传输演变过程中也不断的由量变转为质变，最终将以能量破坏面、能量破坏体的形式继续演化发展，当破坏体传输到高层建筑结构时，能量破坏作用将以演化放大作用施加于结构基础与结构构件，导致结构产生过大的变形，这也体现了目前国内外对于结构基础隔震及结构耗能减震技术的不断研究。
2.2 地震能量链式演化对结构抗震的影响
地震能量破坏作用导致结构过大的变形，关系到结构的抗震性能，我国抗规提出了基于性能的抗震设计方法[4-5]，通过限制建筑结构在不同地震作用下的性能目标限制[6]（见表1）来进行抗震设计。本文采用通用有限元软件MIDAS/GEN对建筑结构进行不同荷载工况下的静力弹塑性（Pushover）分析[7]与时程分析对加固前后的高层建筑结构进行耗能减震效果的对比分析。
表1 性能目标取值
3.高层建筑结构薄弱环节的确定
3.1 计算模型的建立
某10层钢筋混凝土框架结构民用建筑，结构形式为：7度抗震设防，设计基本地震加速度取0.05g，场地类型为II类，地震分组第一组，场地特征周期取0.35s，层高均为3.6m，
建筑总高度36m，采用现浇单向板肋梁楼盖，结构平面及计算模型如图1、2所示。
3.2 结构静力弹塑性分析
由表2分析可知，对于罕遇地震作用下，结构X与Y方向的最大层间位移角出现在第二层，分别为1/105、1/169，X向不满足罕遇地震作用下1/120的性能目标要求，Y向满足罕遇地震作用下1/120的性能目标要求，通过分析对抗震结构设置附加粘滞阻尼器，其分布的位置即在结构薄弱点上。
3.3 通过时程分析进行加固耗能效果的对比
对以上各图进行加固前后的对比分析，原结构在罕遇地震作用下X向不满足抗震性能目标要求，故只针对结构在罕遇地震作用下X向各指标进行分析验算。附加粘滞阻尼器后的结构，其速度、加速度、层间位移角出现一定幅度的降低，表明其耗能减震效果明显。由图3-图7分析可知，X方向加固前后顶点位移降低约2.6%，X方向加固前后顶点加速度降低约11.1%，X方向加固前后顶点速度降低约27.08%；在El Centro波作用下，建筑结构层间位移角降低约46.7%；在TAFT波作用下，建筑结构层间位移角降低约39.29%，X方向加固前后楼层相对位移略有降低，加固后各指标均能满足抗震性能目标要求。
4.总结
（1）从能量链式演化角度透析高层建筑结构在地震灾害作用下的响应，作为抗震加固设计的理论基础；
（2）将能量链致灾过程形态变化理论与有限元软件计算分析结构在地震作用下静力弹塑性及时程分析向结合，实现抗震加固设计的高效化，打破传统盲目尝试设计的新思路；
（3）通过有限元建模分析结构在不满足抗规性能目标要求方向结构顶点位移、顶点加速度及层间位移角等参量，对比加固前后结构的抗震性能目标；
（4）通过性能分析，以本工程实例加固设计方法对未来我国基础设施抗震设计提供技术参考。
参考文献
[1] 胡庆昌、孙金墀、郑琪.建筑结构抗震减震与连续倒塌控制[M].北京：中国建筑工业出版社，2007：53-59.
[2] 周云.耗能减震加固技术与设计方法[M].北京：科学出版社，2006：33-45.
[3] 刘秉正、彭建华.非线性动力学[M].北京：高等教育出版社，2005：74-93.
[4] Housner G W，Bergman L A，Caughey T K.Structural Control：Past，Present and Future.Journal of Engineering Mechanics，1997，123（9）.
[5] 肖明葵.基于性能的抗震结构位移及能量反应分析方法研究[D].重庆：重庆大学土木建筑工程学院，2004.
[6] 中华人民共和国国家标准《建筑抗震设计规范》（GB50011-2001）[S].中华人民共和国建设部.
[7] 王昌兴.MIDAS/GEN应用实例教程及疑难解答[M].北京：中国建筑工业出版社，2009：77-81.
[8] 高路恒、肖盛燮.地质灾害能量质环理论结构模式梗概[J].《灾害学》，2013 Vol.28 No.3：181-184.
[9] Anil K.Chopra.结构动力学：理论及其在地震工程中的应 用[M].北京：高等教育出版社，2005：46-62
关键词：能量质环理论；高层建筑；薄弱环节；致灾机理；灾害预警；耗能减震
中图分类号：TU31 文献标志码： A
引言
随着高层建筑结构的快速发展，对于结构抗震性能的研究越来越重要，目前高层建筑结构的加固成为社会发展的趋势。针对性地进行结构加固首先需要对结构在地震灾害作用下破坏机理的研究，从能量链演化各环节对结构的动力反应进行逐步分析，并采用相关有限元软件对结构进行定量分析，实现理论研究与定量分析相结合的技术手段，为弱势环节的判断与结构加固设计高效化发展提供技术参考。
1.高层建筑结构加固技术的发展
鉴于已建建筑的使用不断接近设计使用年限，建筑结构加固作为研究领域之一将逐步成为未来社会发展与抗震减灾的一项重要研究工作。
1.1 高层建筑结构抗震设计的发展过程
在二十世纪四十年代，著名的美国学者Biot通过若干地震记录工作后，第一次提出了反应谱的概念[1]，这是抗震研究的开端；到了五十年代初，研究学者Housner将反应谱应用到了抗震设计当中，这使得结构抗震设计大跨步的向前发展，通过Housner一段时间的苦心研究，在抗震设计领域实现了结构地震反应动力计算工作，之后该方法被称为时程分析法。
1.2 基于结构抗震性能的设计方法
目前对于高层建筑结构加固技术的研究由静力法逐步向反应谱法进行过渡，国内外对于这方面的研究已接近成熟化。于二十世纪九十年代发生在美国西岸的洛杉矶城6.7级大地震及日本阪神7.2级的大地震，震后发现建筑结构倒塌破坏并不是很多，但是对当地造成了很大的经济损失。
我国不断吸取外国对于抗震加固设计方面的研究经验及国内无数致力于抗震设计方面的研究者大量的实验研究，并在规范中提出了结构抗震设计的两阶段设计方法，即设计的第一阶段主要以反应谱设计方法进行研究，第二阶段则以结构弹塑性时程分析为研究核心。通过该方法借鉴，我国在抗规中提出了基于性能化研究结构抗震的新思路，并在我国取得了很大的发展空间。
2.高层建筑结构破坏机理研究
本文主要研究地震能量链演化机理[2]及对高层建筑结构的动力响应，从能量致灾角度研究灾害能量在载体介质中演化行径及对高层建筑构件的破坏作用影响，作为探究结构在地震能量作用下薄弱环节确定的理论基础。
2.1 地震能量链式演化形态
地震能量链式演化形态非常复杂，突变理论[3]认为，地震灾害的诱发需要一段过程的演化，地震能量链式演化关系主要以能量链的演化与承载介质颗粒形态波动的转化为研究方向。地震能量在载体介质中的传输、积聚、演化发展、爆发呈现了能量链演化的主要形态，即地震能量以波的形式在载体介质传播，此过程伴随着能量的不断积聚，当累积到一定程度地震能量将以能量质点的形式存在，能量质点将以破坏力的形式作用于介质颗粒。能量质点在传输演变过程中也不断的由量变转为质变，最终将以能量破坏面、能量破坏体的形式继续演化发展，当破坏体传输到高层建筑结构时，能量破坏作用将以演化放大作用施加于结构基础与结构构件，导致结构产生过大的变形，这也体现了目前国内外对于结构基础隔震及结构耗能减震技术的不断研究。
2.2 地震能量链式演化对结构抗震的影响
地震能量破坏作用导致结构过大的变形，关系到结构的抗震性能，我国抗规提出了基于性能的抗震设计方法[4-5]，通过限制建筑结构在不同地震作用下的性能目标限制[6]（见表1）来进行抗震设计。本文采用通用有限元软件MIDAS/GEN对建筑结构进行不同荷载工况下的静力弹塑性（Pushover）分析[7]与时程分析对加固前后的高层建筑结构进行耗能减震效果的对比分析。
表1 性能目标取值
3.高层建筑结构薄弱环节的确定
3.1 计算模型的建立
某10层钢筋混凝土框架结构民用建筑，结构形式为：7度抗震设防，设计基本地震加速度取0.05g，场地类型为II类，地震分组第一组，场地特征周期取0.35s，层高均为3.6m，
建筑总高度36m，采用现浇单向板肋梁楼盖，结构平面及计算模型如图1、2所示。
3.2 结构静力弹塑性分析
由表2分析可知，对于罕遇地震作用下，结构X与Y方向的最大层间位移角出现在第二层，分别为1/105、1/169，X向不满足罕遇地震作用下1/120的性能目标要求，Y向满足罕遇地震作用下1/120的性能目标要求，通过分析对抗震结构设置附加粘滞阻尼器，其分布的位置即在结构薄弱点上。
3.3 通过时程分析进行加固耗能效果的对比
对以上各图进行加固前后的对比分析，原结构在罕遇地震作用下X向不满足抗震性能目标要求，故只针对结构在罕遇地震作用下X向各指标进行分析验算。附加粘滞阻尼器后的结构，其速度、加速度、层间位移角出现一定幅度的降低，表明其耗能减震效果明显。由图3-图7分析可知，X方向加固前后顶点位移降低约2.6%，X方向加固前后顶点加速度降低约11.1%，X方向加固前后顶点速度降低约27.08%；在El Centro波作用下，建筑结构层间位移角降低约46.7%；在TAFT波作用下，建筑结构层间位移角降低约39.29%，X方向加固前后楼层相对位移略有降低，加固后各指标均能满足抗震性能目标要求。
4.总结
（1）从能量链式演化角度透析高层建筑结构在地震灾害作用下的响应，作为抗震加固设计的理论基础；
（2）将能量链致灾过程形态变化理论与有限元软件计算分析结构在地震作用下静力弹塑性及时程分析向结合，实现抗震加固设计的高效化，打破传统盲目尝试设计的新思路；
（3）通过有限元建模分析结构在不满足抗规性能目标要求方向结构顶点位移、顶点加速度及层间位移角等参量，对比加固前后结构的抗震性能目标；
（4）通过性能分析，以本工程实例加固设计方法对未来我国基础设施抗震设计提供技术参考。
参考文献
[1] 胡庆昌、孙金墀、郑琪.建筑结构抗震减震与连续倒塌控制[M].北京：中国建筑工业出版社，2007：53-59.
[2] 周云.耗能减震加固技术与设计方法[M].北京：科学出版社，2006：33-45.
[3] 刘秉正、彭建华.非线性动力学[M].北京：高等教育出版社，2005：74-93.
[4] Housner G W，Bergman L A，Caughey T K.Structural Control：Past，Present and Future.Journal of Engineering Mechanics，1997，123（9）.
[5] 肖明葵.基于性能的抗震结构位移及能量反应分析方法研究[D].重庆：重庆大学土木建筑工程学院，2004.
[6] 中华人民共和国国家标准《建筑抗震设计规范》（GB50011-2001）[S].中华人民共和国建设部.
[7] 王昌兴.MIDAS/GEN应用实例教程及疑难解答[M].北京：中国建筑工业出版社，2009：77-81.
[8] 高路恒、肖盛燮.地质灾害能量质环理论结构模式梗概[J].《灾害学》，2013 Vol.28 No.3：181-184.
[9] Anil K.Chopra.结构动力学：理论及其在地震工程中的应 用[M].北京：高等教育出版社，2005：46-62