姜晶

（浙江省城鄉(xiāng)規(guī)劃設(shè)計研究院，浙江 杭州 310000）

0 引言

由于我國所處的地區(qū)特征，很多城市和鄉(xiāng)鎮(zhèn)都處于地震區(qū)[1]，加強高層建筑結(jié)構(gòu)的抗震措施和改善建筑結(jié)構(gòu)的抗震性是高層建筑設(shè)計中的重點。對于高度超過300 m的高層建筑，采用現(xiàn)行規(guī)范最小地震剪力系數(shù)會導(dǎo)致結(jié)構(gòu)斷面尺寸過大，建筑設(shè)計難度較大[2]。針對這些問題，國內(nèi)外學(xué)者展開了以建筑抗震設(shè)計為主題的研究。蔡麗楨等[3]基于離散單元法提出了結(jié)構(gòu)倒塌分析的理論模型，模擬高層建筑結(jié)構(gòu)平面倒塌和豎直倒塌的2種情況，并進行數(shù)據(jù)模擬，提出預(yù)防連續(xù)倒塌的建筑設(shè)計方式。崔威等[4]采用增量動力分析方法（Incremental Dynamic Analysis，IDA）研究了不同抗震下鋼筋混凝土（Reinforced Concrete，RC）框架結(jié)構(gòu)的抗倒塌性能，建立鋼筋混凝土桿系結(jié)構(gòu)模型，對高層建筑結(jié)構(gòu)防倒塌性能提出改進。但這2種方法的分布模式計算出剪力數(shù)值并不準(zhǔn)確，建筑結(jié)構(gòu)出現(xiàn)過多的剩余剪力。王雷等[5]從建立建筑信息模型（Building Information Model，BIM）標(biāo)準(zhǔn)的角度解決了高層建筑結(jié)構(gòu)防倒塌的問題。在預(yù)制建筑BIM設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)框架的基礎(chǔ)上，建立鋼筋混凝土桿系結(jié)構(gòu)模型，對高層建筑結(jié)構(gòu)防倒塌性能提出改進。但側(cè)向力分布不一定適用于每一種建筑工程，可能出現(xiàn)較大的設(shè)計偏差。

1 高層建筑結(jié)構(gòu)抗震性能設(shè)計系統(tǒng)方法

針對高層建筑結(jié)構(gòu)抗震性能設(shè)計項目的技術(shù)特點和現(xiàn)有技術(shù)存在的技術(shù)弊端，該研究使設(shè)計的新型抗震探測器用于建筑結(jié)構(gòu)抗震波動探測，將結(jié)果輸入到ABAQUS有限元軟件建立高層建筑結(jié)構(gòu)的有限元模型并進行分析，得到高層建筑結(jié)構(gòu)抗震性能的設(shè)計系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，如圖1所示。

該設(shè)計系統(tǒng)采用前后端分離的B/S架構(gòu)，前端使用Vue.Js開發(fā)，后端使用JAVA作為主要開發(fā)語言，使用TOMCAT集群部署。系統(tǒng)采用模塊化的設(shè)計，選用NGINX服務(wù)器組件，用來承載接口轉(zhuǎn)發(fā)和負(fù)載均衡，能夠根據(jù)實際業(yè)務(wù)需求將功能模塊編譯到程序中，并且具有較強的并發(fā)處理能力。系統(tǒng)針對復(fù)雜的高層建筑結(jié)構(gòu)，預(yù)先設(shè)置抗震性能目標(biāo)，進行初步設(shè)計時應(yīng)綜合考慮到高層建筑結(jié)構(gòu)的高度、場地類型和結(jié)構(gòu)類型。對建筑設(shè)計中的薄弱部位可通過彈塑性時程分析和反應(yīng)譜分析等方法進行判斷，通過合理的計算方法保證建筑結(jié)構(gòu)構(gòu)件均處于彈性、無損壞狀態(tài)。高層建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計目標(biāo)為在預(yù)設(shè)地震強度和罕遇地震的作用下，盡可能降低上部結(jié)構(gòu)的動力響應(yīng)，利用隔震層消耗地震能量，減小高層建筑上部結(jié)構(gòu)的層間剪力和層間位移。在抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計中合理利用速度相關(guān)型消能器和位移相關(guān)型消能器[6]，通過消能構(gòu)件消耗地震傳輸?shù)浇Y(jié)構(gòu)的能量，在高層建筑結(jié)構(gòu)中安裝消能裝置增加結(jié)構(gòu)的阻尼，對結(jié)構(gòu)進行消能減震。系統(tǒng)采用ABAQUS軟件，建立高層建筑的三維彈性分析模型，對結(jié)構(gòu)的預(yù)設(shè)屈服模式進行測試，模擬地震作用層間位移角的變化。再進行彈塑性時程分析，對比模型的基本指標(biāo)，確定建筑結(jié)構(gòu)的薄弱部位。通過系統(tǒng)的反應(yīng)譜分析，對高層建筑的位移比、周期比、剪重比等指標(biāo)進行控制，保證結(jié)構(gòu)的延性要求，防止結(jié)構(gòu)剛度沿豎向突變，限制建筑結(jié)構(gòu)在豎向布置的不規(guī)則性，提高周期性較長的構(gòu)件的安全性[7]。

2 高層建筑結(jié)構(gòu)抗震探測器硬件設(shè)計

該研究設(shè)計了一種基于線性邊緣濾波方法的光纖地震探測器，實現(xiàn)實時預(yù)測高層建筑結(jié)構(gòu)的異常情況，邊緣濾波方法的原理如圖2所示。

如圖2所示，邊緣濾波器提供傳輸頻譜的近似線性邊帶，并且濾波器的邊帶寬度是濾波器的線性邊緣部分。當(dāng)光纖光柵的反射光譜通過邊緣濾波器時，其強度隨振動引起的光纖光柵波長漂移而線性變化。假設(shè)線性邊緣濾波器的斜率為k，光纖布拉格光柵（Fiber Bragg Grating，F(xiàn)BG）中心波長為λ0，R0為峰值反射率。當(dāng)?shù)卣鸩ǖ竭_高層建筑內(nèi)部邊緣濾波器時，F(xiàn)BG處于應(yīng)變狀態(tài)，中心波長移動，導(dǎo)致通過濾波器的光強度發(fā)生變化[8]，其表達式為：

式中：△E——光強度變化值，cd；

b——FBG的半高全寬，nm；

Δλ0——波長偏移，nm。

可以看出，通過濾光片的光強度變化與光纖光柵波長漂移之間存在線性關(guān)系。

在地震勘探過程中，地震信號以壓力波、剪切波和表面波的形式傳輸?shù)焦饫w地震探測器。因此，光纖地震探測器由地震信號進行調(diào)制。地震系統(tǒng)中另一個重要的考慮因素是解調(diào)系統(tǒng)，其可以恢復(fù)調(diào)制的地震信號。解調(diào)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

如圖3所示，整個解調(diào)系統(tǒng)由耦合器、邊緣濾波器、2個光電探測器（Photoelectric Detectors，PDs）、解調(diào)電路、數(shù)據(jù)采集卡（Data Acquisition Card，DAQ）以及顯示和存儲終端組成。來自光纖探測器的反射光被發(fā)射到1∶1耦合器中，該耦合器將入射光分為2個通道。一個通道用作信號光，通過邊緣濾波器后被PD接收，另一個通道作為參考光直接進入PD。在解調(diào)電路部分，實現(xiàn)了電信號的放大和差分[9-10]。隨后，信號在DAQ后通過LabVIEW軟件傳輸?shù)接嬎銠C。2個通道之間的差距l(xiāng)可以用式（2）表示：

式中：k——邊緣濾波器的斜率；

Δλ——光纖探測器中裝配的FBG的波長偏移，nm；

ΔλB——反向反射FBG的3 dB帶寬，Hz。

可以看出，當(dāng)FBG的波長被地震振動調(diào)制時，波長偏移Δλ可以通過PD計算得到。因此，探測高層建筑結(jié)構(gòu)地震信號的精度僅由邊緣濾波器的斜率決定[11]。

在解調(diào)系統(tǒng)的電路中，采用PDs對光信號進行檢測。PD的光譜響應(yīng)范圍為900~1700 nm，在室溫（25℃）下，響應(yīng)時間為0.3 ns。其前置放大器電路的設(shè)計如圖4所示。

由于圖4中的電流信號源（Isc，1 μA，500 Hz和0°相位）在電路中，運算放大器用于實現(xiàn)電流到電壓的轉(zhuǎn)換和放大。由于逆變輸入前置放大器的輸入阻抗非常高，光電電流Isc與反饋電阻器R1一起流動。輸出電壓Vo1與R1和R2之和成比例，電流將通過放大系統(tǒng)轉(zhuǎn)換為電壓，如式（3）所示：

由于背景噪聲，感應(yīng)電流Isc包含一個大的直流電，需要通過RC電路實現(xiàn)的高通濾波器進行過濾，高通濾波器可降低頻率低于式（4）中fc的動態(tài)信號：

電容器C4耦合下一個放大器電路。為了避免其他噪聲的放大和信號的線性失真，在前置放大器TLC2201處放大小倍數(shù)，并增加第2個放大器。采用ICL7650（最大值，2 mA，1 μV）放大同相標(biāo)度，以滿足信號電子處理的要求，其輸出為：

式中：Vo2——ICL7650放大器的輸出電壓，μV。

3 基于ABAQUS有限元分析

針對以上理論結(jié)果使用ABAQUS有限元軟件進行分析，解決高層建筑工程項目中的非線性問題。通過建立高層建筑的有限元模型，分析建筑結(jié)構(gòu)在高風(fēng)壓作用下的抗震安全性，通過合理利用減震與隔震技術(shù)提高建筑的安全性。進行有限元分析確定結(jié)構(gòu)中某些薄弱部位，在計算參數(shù)的設(shè)定上考慮構(gòu)件的剛度折減系數(shù)和剛度退化的差異，準(zhǔn)確反映結(jié)構(gòu)的真實內(nèi)力分布。

有限元法最基本的概念是通過將分析對象（高層建筑結(jié)構(gòu)）分成有限模塊來解決抗震性能問題，然后對這些小塊進行分析，并將分析結(jié)果合并，以找到整個高層建筑結(jié)構(gòu)的解決方案。該研究將高層建筑結(jié)構(gòu)的鋼筋和混凝土看作有限元模塊，其中混凝土單元采用實心連續(xù)體C3D8R結(jié)構(gòu)，八節(jié)襯磚單元采用ECC結(jié)構(gòu)，有限元模型見圖5。

由圖5可見，該元素由平移運動形式中每個節(jié)點的3個自由度組成。C3D8元素有8個自由度，每個節(jié)點有3個平移運動（x，y，z）。T3D2元素有2個自由度，每個節(jié)點有2個平移運動（x，y），鋼筋單元（T3DR）在三維桁架分析中被用作2個鋼筋單元。在T3D2中，2個節(jié)點描繪了由壓縮和拉伸組成的2個自由度，因此彎曲力矩被忽略[11]。

對于高層建筑結(jié)構(gòu)采用數(shù)值分析進行研究，試件的尺寸為20 cm高、15 cm寬、270 cm長，并使用有限元方法分析了梁鋼筋的荷載，如圖6所示。

在用鋼絲網(wǎng)和自密實混凝土加固的鋼筋混凝土梁中，接頭長度的變化由一種類型在跨度的1/2和一種類型在跨度的1/3組成。構(gòu)建有限元模塊，為了能夠從基于ABAQUS的軟件中獲得高層建筑結(jié)構(gòu)抗震性能數(shù)值分析結(jié)果，通過不斷重復(fù)制作零件、輸入屬性、選擇有限元件、確定交互、提供支撐和載荷、運行這幾個步驟，最終得到的有限元模型如圖7所示。

該研究中混凝土的本構(gòu)模型采用塑性損傷材料本構(gòu)模型，其中鋼材的彈性模量為200.0 GPa，混凝土的彈性模量為32.5 GPa，柏松比為0.2?；炷敛牧系牡谝粋€受力狀態(tài)可用式（6）表示：

式中：ft，r——單軸受拉強度，GPa；

Ec——混凝土的彈性模量，GPa；

εt，r——混凝土應(yīng)變參考值。

鋼材選用雙折線隨動強化模型，模型中材料在發(fā)生屈服后的彈性模量是其初始彈性模量的1/100[12]。模型在反復(fù)加載過程中考慮到辛格效應(yīng)，應(yīng)力應(yīng)變曲線表示材料在卸載時的剛度和在加載時的剛度相等，都與初始加載時的彈性模量一致。

對高層建筑結(jié)構(gòu)進行分析過程需要考慮到結(jié)構(gòu)內(nèi)力、結(jié)構(gòu)形變、結(jié)構(gòu)的周期、振型和阻尼系數(shù)等動力特性因素。有限元模型結(jié)構(gòu)反應(yīng)了自身反應(yīng)特性和地震特性，地震反應(yīng)過程中最大的基底剪力為高層建筑承受的總地震作用，可用式（7）表示：

式中：α——地震影響系數(shù)；

G——水平方向最大基底剪力[13]，kN。

對建立的有限元模型進行反應(yīng)譜分析后，得到該研究建筑結(jié)構(gòu)模型的周期和結(jié)構(gòu)質(zhì)量如表1所示。

表1 建筑結(jié)構(gòu)模型的周期和結(jié)構(gòu)質(zhì)量參數(shù)

根據(jù)反應(yīng)譜分析結(jié)果可知，該研究高層建筑結(jié)構(gòu)前兩階振型為平動振型，第1平動自振周期為2.625 s，第2平動為2.351 s，扭轉(zhuǎn)自振周期符合規(guī)范要求[14]。經(jīng)過結(jié)構(gòu)剪力墻布置調(diào)整后減輕了結(jié)構(gòu)的質(zhì)量，減少了結(jié)構(gòu)的自振周期和扭轉(zhuǎn)效應(yīng)。

4 應(yīng)用測試與分析

該研究針對具體項目進行了應(yīng)用測試與分析，項目位于浙江省衢州市高鐵新城生命科學(xué)小鎮(zhèn)，衢州中心醫(yī)院西側(cè)，養(yǎng)生大道以西，九華西大道以北。項目總用地面積29 554 m2，總建筑面積74 000 m2，其中地上建筑面積49 000 m2，地下建筑面積25 000 m2，布置4幢高層建筑，分別為1#疾控中心12 400 m2、2#樓血站12 700 m2、3#公共衛(wèi)生保障中心10 200 m2、4#應(yīng)急指揮中心13 080 m2。建筑密度35%，綠地率30%，機動車停車位490個。

該工程結(jié)構(gòu)安全等級一級，設(shè)計使用年限為50年，基礎(chǔ)設(shè)計等級甲級，地下室防水等級一級。建設(shè)場地抗震設(shè)防烈度6度，地震動峰值加速度0.05 g，設(shè)計地震分組第一組。建抗震設(shè)防類別為重點設(shè)防類（簡稱乙類），按提高1度（即7度）采取抗震措施。場地類別為Ⅱ類，多遇地震下水平地震影響系數(shù)最大值為0.04；特征周期0.45 s。

之后，搭建實驗環(huán)境驗證該高層建筑結(jié)構(gòu)抗震性能設(shè)計方法的性能，采用Intel i9 9600KF配置計算機，32+256 GB內(nèi)存容量。分別使用文獻[3-4]系統(tǒng)和本研究系統(tǒng)進行實驗，對比3種系統(tǒng)建筑結(jié)構(gòu)的抗震效果，模擬在多遇地震的作用下建筑的彈性性能，分析造成結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)存在差異，計算高層建筑結(jié)構(gòu)各樓層的最大剪力和層間位移。

對該實驗建筑結(jié)構(gòu)模型進行時程分析時需要選擇一條地震波，地震波持續(xù)時間設(shè)定為65.89 s，加速度峰值為252.6 cm/s2，時間間隔為0.02 s，實驗過程中檢測得到的數(shù)據(jù)信號經(jīng)過處理得到Proteus仿真軟件得到地震波波形仿真圖，如圖8所示。

將地震波加速度峰值調(diào)整到400 cm/s2，保證高層建筑結(jié)構(gòu)在地震作用下進入到彈塑性階段，使建筑結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出的實際受力和形變狀態(tài)更加真實，得到的數(shù)據(jù)更加精準(zhǔn)。對3種系統(tǒng)的建筑結(jié)構(gòu)模型輸入地震波時，通過計算得到模型每一樓層的剪力最大值如圖9所示，剪力數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 各樓層的剪力

本研究系統(tǒng)建筑結(jié)構(gòu)在地震波的作用下，底層剪力最大值為14 210 kN，其與抗震結(jié)構(gòu)的反應(yīng)比為0.245，樓層剪力值遠遠小于其他系統(tǒng)建筑的剪力，說明本研究建筑結(jié)構(gòu)模型具有良好的抗震效果，在相同地震強度的作用下，結(jié)構(gòu)樓層剪力更小。隨著樓層的升高，層間剪力逐漸減小，樓層高于14層以上時層間剪力低于5000 kN。對3種系統(tǒng)的建筑結(jié)構(gòu)模型輸入地震波時，通過計算得到模型每一層的層間位移最大值如圖10所示。

由圖10可見，本研究建筑結(jié)構(gòu)的層間位移最小。說明該研究建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計吸收了很多地震能量，減輕了建筑上部結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)，隨著樓層數(shù)的升高，層間位移逐漸減小，結(jié)構(gòu)抗震效果較好，在16層時層間位移小于5 mm。

5 結(jié)語

對高層建筑結(jié)構(gòu)抗震性能設(shè)計方法進行深入研究，對建筑結(jié)構(gòu)進行分析，不僅考慮重力荷載，同時也考慮了風(fēng)荷載、地震荷載等動力荷載對結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的影響。通過有限元分析軟件研究鋼板組合剪力墻在某高層結(jié)構(gòu)的應(yīng)用布置，分析剪力墻結(jié)構(gòu)在反應(yīng)譜和時程分析作用下的抗震性能。將新型抗震探測器用于建筑結(jié)構(gòu)抗震波動探測，模擬地震作用下結(jié)構(gòu)模型的運動過程，對所得非線性變形狀態(tài)及結(jié)構(gòu)損傷情況作出了性能評價。