高层建筑结构的地震损伤与倒塌是指在地震作用下，由于地震力引起结构损伤破坏，最终导致结构丧失承载能力，最终发生结构倒塌破坏的现象。早在上世纪国内外学者对高层建筑的抗震性能进行了大量研究，提出了许多有效的抗震设计方法和构造措施，在一定程度上提高了高层建筑的抗震性能。一般高层抗震设计是根据结构方案的特殊性，先选用适宜的抗震性能目标。建筑物抗震设防要求是根据国家规定的防震设防目标，针对不同设防类别的建筑物，规定不同的抗震设防要求，使其在遭遇确定性地震影响时，不致倒塌或发生严重破坏，从而达到减轻和防御地震灾害的目的。

1高层建筑结构地震损伤与倒塌分析工作方法

随着我国城市化进程的不断加快，城市中的高层建筑越来越多，人们对高层建筑结构的抗震性能要求也越来越高。《建筑抗震设计规范》GB500011-2010第1.0.2条规定抗震设防烈度为6度及以上地区的建筑，必须进行抗震设计。在高层建筑结构设计中，根据建筑使用功能确定结构方案，再确定结构的抗震性能目标，以保证高层建筑结构的抗震性能满足使用要求。通常情况下，高层建筑结构的抗震设计要求为：1）当地震发生时，应在地震作用下维持高层建筑的基本功能，但是在实际工程中，高层建筑在地震作用下出现非预期破坏时，可能会出现局部倒塌或整体倒塌，影响高层建筑功能的正常发挥，因此研究地震作用下高层建筑结构的损伤和倒塌问题具有重要意义。地震作用下高层建筑结构损伤和倒塌分析是一个非常复杂的过程，涉及到材料、构件和结构三个层次的相互作用^[1]。2）研究地震作用下不同构件、构件间连接方式、构件截面尺寸对高层建筑结构损伤和倒塌的影响，在地震作用下，建筑物主要通过构件的破坏程度来判断其抗震能力，主要包括以下几个方面：第一，建筑结构构件的变形，尤其是框架结构中的梁柱构件；第二，高层建筑结构中的节点；由于地震作用会对高层建筑结构产生很大的影响，因此在进行高层建筑结构设计时，不仅要满足抗震强度要求，还需要满足地震损伤和防倒塌要求，而且为了便于计算分析，通常采用阵型分解反应谱法进行分析，如图1：

图1阵型分解反应谱法

2高层建筑结构重要构件计算模型

2.1梁柱计算模型

高层建筑结构的破坏模式主要为剪切破坏、弯剪破坏和剪切-弯剪混合破坏，剪切-弯剪混合破坏是指梁端出现剪力滞后，并在剪力最大位置出现裂缝，进而引起梁截面的剪切破坏。在实际的高层建筑结构设计中，往往会采用剪切-弯剪混合模型进行计算分析，即将梁视为三杆模型，并将柱作为支撑来模拟其受力性能，但是在实际的计算中，往往难以准确模拟梁柱端的剪切-弯剪破坏。首先，如果将梁端视为刚接，则会导致柱截面在弯矩和剪力作用下发生一定程度的弯曲变形，进而影响梁柱构件的极限承载能力。其次，在地震作用下柱端弯矩和剪力通常会被集中到节点处的梁上，而梁端的剪力则会被集中到柱上，此时若将梁简化为一根刚杆进行分析，则会导致梁端出现严重的弯剪破坏。为了有效地模拟柱端剪切-弯剪混合破坏模式，在进行高层建筑结构地震损伤与倒塌分析时，需要采用模型来模拟梁柱端的剪切-弯剪混合破坏模式。在实际的高层建筑结构设计中，可以通过调整柱截面尺寸、加大柱端截面强度、改变梁端部约束条件等方式来调整梁柱构件的受力性能。通常情况下，若将建筑框架混凝土地震结构损伤侧向力进行分析，其极限承载能力与实际结构中的梁端剪切-弯剪混合破坏模式并不相符，如图2：

图2 建筑框架混凝土地震结构损伤侧向力分析

2.2剪力墙计算模型

剪力墙在地震作用下会发生大量的塑性变形，使其失去延性而丧失耗能能力，这对剪力墙结构是不利的，因此在抗震设计时应尽可能考虑剪力墙的脆性破坏，剪力墙平面内刚度大，平面外刚度小的剪力墙结构，应尽可能使其成为一道抗震防线，为了方便计算可以采用SAP2000有限元分析软件进行计算。在结构建模时，通过合理划分单元、定义材料和设置边界条件来模拟剪力墙结构，分别对其进行分析。在水平向建模时，通过将墙肢划分为多个等长度的墙段来模拟墙肢的连接部位，由于在地震作用下剪力墙结构的脆性破坏会引起大量的塑性变形，导致结构屈服后出现较大的位移，因此，在结构分析时应考虑位移模式、塑性铰等因素对结构整体性能的影响^[2]。为使计算结果更为准确，在模型中应考虑以下因素：1）对某一楼层进行弹塑性分析时，应考虑楼层刚度退化对结构刚度的影响；2）计算模型应包括平面外刚度；3）将建筑结构作为一个整体进行分析时，应考虑建筑结构与地基基础、上部结构之间的相互作用；4）采用刚性楼板假定时，应考虑楼板刚度退化对楼板应力状态及位移分布的影响；5）在模型中应考虑侧向荷载、重力荷载、地震作用等因素对楼层内力和位移分布的影响。

3建筑结构的地震作用和计算模型

    3.1地震作用分析

地震作用是指地震能量作用于建筑物上，其大小与建筑物的结构类型、构件尺寸和材料性质有关。对于框架-剪力墙结构、筒体-框架结构和筒体-核心筒结构，地震作用主要取决于其抗侧力构件的数量和强度，以及结构的尺寸、刚度，地震作用对竖直构件的影响主要表现在水平刚度的改变。在高层建筑中为了提高水平刚度，宜采用较大平面尺寸和较长墙身。对于框架-剪力墙结构、筒体-框架结构和筒体-核心筒结构等竖向构件较多的结构形式，由于水平地震作用下竖向构件参与工作的程度不同，产生的地震作用也不同。当水平地震作用不大时，竖直构件主要承担竖向荷载和变形荷载，其承载能力与刚度比基本不受影响，但当水平地震作用较大时，由于竖向构件对水平地震作用的放大效应比较显著，竖向构件必须承担更大的荷载。因此，在抗震设计中应根据建筑功能、竖向荷载、地震作用等因素合理确定竖向构件的配筋率和轴压比。

3.2计算模型

第一，计算模型的选取。在本次建筑抗震设计工作中，采用SAP2000软件进行结构动力分析，同时采用振型分解反应谱法和时程分析法进行结构地震响应分析，对高层建筑结构进行地震损伤和倒塌分析。在振型分解反应谱法中，通常采用峰值加速度的方法来判断结构的薄弱部位，其中以第一振型为基准振型，第二、第三振型为次振型。第二，输入地震动的确定。在选取地震波时通常选用地震动加速度峰值作为输入地震动，且必须满足以下要求：

1）确定地震波的地震分组；2）确定输入地震动的加速度峰值；3）确定不同场地类别下，抗震设防烈度对应的地震动加速度反应谱特征值；4）确定不同场地类别下，场地类别对应的特征周期；5）确定地震动卓越周期；6）确定地震动强度参数，在此基础上根据计算结果和规范要求进行对比分析^[3]。

4高层建筑结构地震损伤与防倒塌的具体内容分析

4.1损伤积累效应下的地震坍塌分析

第一，地震作用下损伤累积效应。损伤累积是指结构在地震作用下，其构件或构件之间的连接、粘结等力学性能出现劣化或退化，导致其整体抗震性能下降，不能满足抗震设计要求。在高层建筑结构中，由于不同楼层构件的连接、粘结、混凝土保护层厚度等不同，且其配筋率也不相同，导致了损伤累积效应的存在。

第二，地震作用下的坍塌分析。地震作用下结构破坏的一个重要特征就是其构件在不同楼层的损伤积累效应。结构在地震作用下的倒塌主要由以下几个因素决定：①破坏模式不同，地震作用下结构失效时的破坏模式主要为弯曲、剪切、弯剪；②构件之间存在相对位移，导致其连接强度降低；③构件损伤积累，导致构件截面削弱和配筋率变大。当构件发生损伤积累效应时，将会引起构件承载能力、刚度和强度等方面的变化。在损伤累积效应作用下，将会对结构整体造成破坏，从而导致结构倒塌。

第三，建筑物的材料性能、结构形式、构造措施、施工质量等都会对建筑物的损伤积累效应产生影响。其中材料性能对建筑物损伤积累效应有直接影响；结构形式对建筑物损伤积累效应有重要影响；构造措施对建筑物损伤积累效应也有重要影响；施工质量对建筑物损伤积累效应有重要影响，工程建设中应采取有效措施避免由于构件出现损伤累积效应而导致结构倒塌^[4]。

4.2等效刚度下混凝土核心筒结构的地震倒塌分析

在高层建筑结构中，核心筒的主要作用是支撑整个建筑结构，并对整个结构的刚度和强度进行控制。当地震作用下，核心筒的强度和刚度发生变化时，其内部钢筋会出现应力集中现象，最终导致混凝土核心筒出现破坏，并导致整个高层建筑结构出现倒塌现象。采用等效刚度法进行高层建筑结构地震倒塌分析时，需要将整个高层建筑结构等效为两个整体的框架-核心筒结构，然后对两个结构之间的相互关系进行处理。在等效刚度法中，需要采用振型分解反应谱法进行计算，并在此基础上对该方法的适用范围进行确定，然后再对这两个结构之间的相互作用进行处理，并对该两个结构之间的相互关系进行确定。在整个高层建筑结构的抗倒塌能力分析中，需要对该两个框架-核心筒之间的相互关系进行处理。然后对该整体框架-核心筒进行振型分解反应谱法计算，并在此基础上对该整体框架-核心筒的抗侧力刚度进行计算。最后，对该整体框架-核心筒进行地震作用下抗倒塌能力分析，通过等效刚度法可以在地震作用下实现整个高层建筑结构的抗倒塌能力分析。

5结语：

综上，为了确保建筑结构在地震作用下不出现倒塌破坏，可以从以下几个方面入手：保证建筑结构的整体性，使建筑结构中的构件或结构体系形成一个有机的整体，避免发生局部或局部的破坏而导致整体倒塌破坏；采用合理的抗震设计方法，设置有效的耗能构件和设置必要的变形缝来耗散地震能量，以减轻结构在地震作用下的破坏程度；提高建筑结构材料和结构体系的抗震性能，保证建筑结构在地震作用下具有足够的强度和刚度；加强建筑结构抗倒塌设计，防止局部构件或整个体系在地震作用下由于脆性破坏而发生倒塌破坏。

参考文献：

[1]裴学良,许德峰,刘玉姝等.钢框架结构地震倒塌数值模拟方法研究[J].建筑钢结构进展,2022,24(11):101-112.

[2]陆新征,顾栋炼,赵鹏举等.建筑结构防地震倒塌性能设计[J].建筑结构,2022,52(21):50-57+133.

[3]邓夕胜,赖馨粤,袁凯等.罕遇地震下高层RC框架结构双地震动强度参数易损性分析[J].世界地震工程,2022,38(03):19-29.

[4]刘成清,方登甲.高层建筑斜交网格结构抗震研究进展综述[J].地震工程与工程振动,2022,42(03):72-86.