此次研究中的荷载概念设计主要针对风力以及地震对高层建筑的影响。此次设计的依据为《建筑地基基础设计规范》^[7]（GB5007-2001）,在荷载的设计中,传至基础或承台底面的作用效应参照正常使用下极限状态作用的标准组合。荷载中的风荷载属于变荷载,地震荷载与之相同,因而,在设计中主要考虑荷载对高层建筑的水平作用,将两种荷载视为可变荷载的组合。在《建筑结构荷载规范》^[8]中,对风荷载组合具有相应的规定,设定其组合值取值为0.6。

根据《建筑可靠性设计统一标准》^[9]中,分项系数的设计方法,对地震荷载分项系数取值设定为 。以此数值为参照,可以得出地震水平荷载的分项系数,采用加速度技术与反应谱度对其加以分析,得出两者之间的比值为10:4,由此得出地震水平荷载的数值约为0.5。采用本文参照建筑的设定参数,构建其荷载组合,可获取相应荷载组合数据,具体内容如下。（表1)

表1 高层建筑荷载组合数据表
Table 1 Load combination data of high-rise building

通过以上荷载数值的设定,完成对高层建筑结构的基础荷载设计,在以往的文献记载中,对其数值计算具有较高的要求。由于高层建筑的种类较为丰富,其计算过程根据高层建筑的特征与实际情况选择计算方式与算法完成计算过程。

多数高层建筑中为钢结构,其梁柱与制成结构均采用箱型截面,梁架采用工字焊接的方式,次框梁架采用H型设计。在建筑的基础设计中采用Q345钢材,其他部分的构架采用Q235钢材,楼板采用压型钢板组合型楼板,混凝土采用C30编号,楼板厚度为150 mm。其具体参数如下所示。（表2)

表2 高层建筑结构材料参数
Table 2 Material parameters of high-rise building structure

根据以上参数设定出高层建筑的四根矩形柱,将其设置在建筑的四角。在高层就建筑中设计3根巨型梁。建筑的结构底部与基础的连接为固定连接点,梁柱之间的连接采用钢接的形式,以此支撑梁柱之间的铰接。为保证结构参数设定的精准度,采用SPA2013^[10]建立相应的高层建筑模型,采用壳单元模拟结构,将其内部设定为刚性结构,结构参数信息如下表所示。（表3)

表3 结构参数信息表
Table 3 Structure parameter information

通过以上参数,将高层建筑在模拟平台中仿真建筑,通过截面的形式体现,具体内容如下图所示。（图2)

图2 高层建筑结构平面图
Fig.2 Structural plan of high-rise building

传统意义上的塑性铰是结构构建在受力时出现某一点相对面的纤维屈服但未出现破坏的情况,就将此点称为一塑性铰^[11-12]。通过对塑性铰的研究可以使一个构件转换为两个构件加一个塑性铰,塑性铰两边构件都可以进行转动。

图3中的A、B、C 3点分别为高层建筑塑性铰的形变节点,塑性铰设定为高层建筑的重要框架中的必要部分,在地震发生时,高层建筑的塑性铰会发生相应的形变,通过对塑性铰的概念设计可以有效控制高层建筑结构形变造成的建筑坍塌问题。

图3 高层建筑塑性铰形变示意图
Fig.3 Schematic diagram of plastic hinge deformation of high-rise buildings

设定在地震发生时,建筑的抗剪承载力^[13]与承压承载力^[14]设计值分别为则有:

(1)

为保证高层建筑的安全性,其结构承压承载力设计值需大于抗剪压力值,即。根据以上设定, 高层建筑结构弹性极限状态的弯矩为：

G_w=W_N f_N (2)

在上式中,W_N为建筑结构的净截面模量, f_N 为常温下结构框架钢材的屈服强度。

当结构中的钢材受到外荷载^[15] O作用时,结构节点的内弯矩V_a与外弯矩V_b分别为：

V_a =4N^C_min (3)

V_b=OL (4)

在上式中,L为梁柱的顶点到节点之间的距离。当V_a>V_b时,抗剪力节点为刚性节点;V_a≤V_b时,抗剪节点被完成破坏,构造为半刚性节点。节点的塑性铰应力变化如下所示。（图4)

图4 塑性铰应力变化
Fig.4 Stress change of plastic hinge

通过上图中的描述,完成对高层建筑结构塑性铰的概念设计,通过塑性铰控制结构形变。提升在大震来临时,高层建筑的稳定性。

将文中的建筑荷载设计、高层建筑材料结果参数设计以及塑性铰定义设定结合,完成减震隔震技术下高层建筑消能减震结构概念设计。为验证文中设计的概念对提升建筑结构的抗震能力具有有效性,构建实验环节,实现对其使用效果的研究。

在此次设计中采用模拟平台实现模拟实验的过程,此次实验平台设定为仿真地震振动台,在实验平台的设计中引用阻抗分析仪与压力试验机。采用阻抗分析仪实现对平台中传感器的扫频,设定其扫频范围为30 Hz-30 MHz,在设备中可以实现采集抗阻、导纳等多种引号的传输。

实验平台中的压力试验机为测试混凝土、砖瓦等材料的压力机,采用液压传动方式加载。其基本参数设定如下。（表4)

表4 压力试验机基本参数
Table 4 Basic parameters of pressure testing machine

通过以上设备,完成实验环境的构建。设定相应的实验样本,将其输入至实验平台中,获取实验结果。通过实验结果的差异性,完成高层建筑消能减震结构概念设计的研究。

此次实验针对高层结构概念设计的有效性,因而,除高层建筑的结构外保证实验样本中其他参数的一致性。对建筑的混凝土部分进行设定,并采用实验设备对实验样本展开处理,将本文设计的概念输入至实验平台控制系统中,对比概念设计前与概念设计后高层建筑的抗震能力。

表5 仿真实验样本
Table 5 Simulation experiment sample

采用上述实验样本（表5）,完成此次对高层建筑结构的仿真实验,此次实验对概念设计前与概念设计后的抗震能力,通过实验样本承受的最大压力体现。

通过以上实验设定,完成仿真实验,现将实验结果显示如下。（表6)

表6 仿真实验结果
Table 6 Simulation results

在此次实验中,当压力对实验样本造成损害时,即计为实验样本所能承受的最大压力。通过以上实验结果可知,在实验样本结构中引用本文的概念设计后,可有效提升实验样本的抗压能力。与使用前相比,引用后样本承载的压力更强,与此同时,实验样本在实验结束后仅为部分坍塌。综上所述,将文中设计的高层建筑结构应用于现实生活,可有效提升在地震发生时,建筑的稳定性与牢固性,为救援工作提供充足的时间^[16]。