李洋

摘要：隨著經(jīng)濟的不斷發(fā)展，人們生活水平逐漸提高，尤其是近些年房地產(chǎn)業(yè)繁榮，人們的審美觀點越來越多元化，人們對建筑功能和建筑美學的要求不斷提高，不斷打破傳統(tǒng)規(guī)則建筑，體型復(fù)雜的建筑在世界的各大城市逐漸增多。但是，不規(guī)則結(jié)構(gòu)在地震作用下的安全性越來越被重視，本文主要對研究不規(guī)則結(jié)構(gòu)地震分析方法進行概述。

1、早期的抗震分析方法

對于結(jié)構(gòu)抗震的探索和研究，是從20世紀初年美國San Francisco地震后才逐漸被認識和重視。1915年日本的佐野率先提出了評估地震動的一些概念，并認定作用于結(jié)構(gòu)的地震作用F=RW（R為震度，W為建筑物自重）。隨后該方法被列入日本相關(guān)法規(guī)，并規(guī)定取R=0.1。20世紀20～30年代，國際上比較普遍的把抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計納入到建筑設(shè)計中去，當時已經(jīng)意識到房屋慣性力的重要性，在還無法對結(jié)構(gòu)進行可靠量測得情況下，又缺乏對動力結(jié)構(gòu)反應(yīng)的認識，對地震力慣性加速度無法給出可靠的估算，一般認可的是取建筑物的質(zhì)量10%的水平力進行設(shè)計。

2、反應(yīng)譜理論分析方法

第一個強震加速度記錄是1933年的美國長灘發(fā)生地震時取得的，在隨后美國EIcentro地震時取得了大量重要的強震加速度記錄。通過對這些強震記錄的加工整理以及對結(jié)構(gòu)自振特性的研究總結(jié)，美國的一些學者提出了地震反應(yīng)譜理論。1956年，美國舊金山采用了新的抗震設(shè)計規(guī)定，該規(guī)定以加速度反應(yīng)譜為基礎(chǔ)，建立了建筑物自振周期、阻尼比和基底剪力系數(shù)的關(guān)系。此后，經(jīng)過包括我國在內(nèi)的一些國家的研究發(fā)展，形成比較合理、目前普遍采用的抗震設(shè)計方法。我國及國際山多數(shù)國家抗震設(shè)計規(guī)范本質(zhì)上都采用了反應(yīng)譜理論和結(jié)構(gòu)能力設(shè)計的原則。

3、基于性能的抗震分析方法

自20世紀90年代開始，美國、日本、澳大利亞、歐洲混凝土協(xié)會和我國有關(guān)機構(gòu)和專家研究并提出了基于性能的抗震設(shè)計理念。美國的ATC40、FEMA273提出了原有建筑檢測評估和加固中使用多重抗震目標的意見，并提出了相應(yīng)的設(shè)計方法。1995年美國加州SEMAO提出了基于性能的結(jié)構(gòu)抗震理念。2003年美國國際法規(guī)委員會推出了《建筑物及設(shè)施的性能規(guī)范》，其內(nèi)容全面，無所不包，涉及到結(jié)構(gòu)的正常使用階段性能、受到各種偶然和必然災(zāi)害（風、火、地震）時的性能、施工階段和長期使用階段的性能，該規(guī)范對基于性能設(shè)計的各項準則做出了具體全面而又精確的規(guī)定。隨后，日本也開始將抗震性能設(shè)計的理念納入新建結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計和既有建筑加固的標準中，并由建筑研究所確定各種具體建筑的性能標準。澳大利亞則在基于性能設(shè)計的整體框架方面做出了許多研究，提出并制定了相應(yīng)的建筑規(guī)范。2003年歐洲混凝土協(xié)會出版了《鋼筋混凝土建筑結(jié)構(gòu)基于位移的抗震設(shè)計報告》。我國在基于性能設(shè)計方面也有顯著的發(fā)展，2010年《建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計規(guī)范》首次將性能設(shè)計引入規(guī)范。

基于性能設(shè)計時結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計的一個新的重要發(fā)展。它的主要特點是：將抗震設(shè)計從宏觀單調(diào)抗震設(shè)計目標向具體定量的多重目標推進，并且將性能目標的選擇權(quán)交給業(yè)主；對結(jié)構(gòu)的抗震性能進行細致深入的計算分析，并經(jīng)過相關(guān)專業(yè)人員的的評測和檢驗。抗震設(shè)計中更注重對性能目標的實施標準的具體分析和驗證，有利于促進結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計的發(fā)展和改革，現(xiàn)行規(guī)范中還未涉及到的新的結(jié)構(gòu)體系、新的科學技術(shù)、新型材料可以經(jīng)過論證后加以采用；這樣可以根據(jù)不同的場地情況、抗震設(shè)防目標和結(jié)構(gòu)的重要程度采取不同抗震設(shè)防目標，這是一個新的發(fā)展方向，目前仍未在工程中得到普遍的應(yīng)用和推廣，還有許多問題尚待解決和改進，例如：地震的偶然性、結(jié)構(gòu)計算的模型以及相關(guān)參數(shù)的取用存在許多經(jīng)驗成分、模型試驗不足、震害試驗缺乏、對非結(jié)構(gòu)的抗震性能目標和地震災(zāi)害預(yù)估研究不深入。但隨著它在工程中的逐漸得到推廣和應(yīng)用，必將會趨于成熟。

復(fù)雜結(jié)構(gòu)建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計比較適合基于性能的抗震設(shè)計方法。這些工程都屬于不規(guī)則結(jié)構(gòu)，甚至是特別不規(guī)則結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)建筑混凝土技術(shù)規(guī)程雖然對此類結(jié)構(gòu)的常規(guī)設(shè)計方法提出了設(shè)計規(guī)定，但實際工程經(jīng)常遇到規(guī)程適用范圍以或規(guī)程中尚未規(guī)定的問題，此外結(jié)構(gòu)鋼結(jié)構(gòu)和混合結(jié)構(gòu)的復(fù)雜結(jié)構(gòu)體系目前還有相應(yīng)的設(shè)計規(guī)定。對這些工程的進行抗震設(shè)計時無法參考現(xiàn)行的設(shè)計規(guī)范，缺少具體詳細可靠的設(shè)計依據(jù)、設(shè)計目標和方法，設(shè)計者按照實際工程情況的需要，進行具體細致的計算分析和專業(yè)可靠的的檢驗論證，必要時還需要按照實際結(jié)構(gòu)建立模型進行試驗論證，從而采取比規(guī)范規(guī)定的更加可靠、實用和有針對性的抗震措施，這就需要業(yè)主提供相應(yīng)的經(jīng)濟援助，同時設(shè)計人員的論證也必須接受抗震設(shè)防專項審查，以保證結(jié)構(gòu)的在抗震性能目標下的安全性能。這中設(shè)計程序和設(shè)計理念和性能設(shè)計的核心思想完全一致。近年來的結(jié)構(gòu)建筑工程的抗震設(shè)防專項審查的實踐表明，不少工程的設(shè)計和專項審查已經(jīng)涉及到基于性能抗震設(shè)計的理念和方法。在實際的復(fù)雜結(jié)構(gòu)建筑工程設(shè)計中設(shè)計者和審查專家都基于性能的設(shè)計要求，因此在復(fù)雜結(jié)構(gòu)建筑結(jié)構(gòu)中采用性能設(shè)計的時機已經(jīng)成熟。

4、基于性能的抗震分析方法舉例

4.1靜力彈塑性分析

靜力彈塑性分析又被稱為Pushover分析，是基于性能的抗震設(shè)計中具有代表性的分析方法。所謂基于性能的抗震設(shè)計是以某種目標性能為設(shè)計控制目標，而不是單純的滿足規(guī)范要求的極限承載能力，最后通過非線性位移結(jié)果評價結(jié)構(gòu)是否滿足目標性能要求。在新頒布的《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》（GB50011-2010）中關(guān)于結(jié)構(gòu)分析方面的條文3.6.2中規(guī)定：“不規(guī)則且具有明顯薄弱部位可能導致重大地震破壞的建筑結(jié)構(gòu)，應(yīng)按本規(guī)范有關(guān)規(guī)定進行罕遇地震作用下的彈塑性變形分析。此時，可根據(jù)結(jié)構(gòu)特點采用靜力彈塑性分析或彈塑性時程分析方法”

Pushover方法的早期形式是“能力譜方法” （Capacity Spectrum Method CSM），是基于能量原理的一些研究成果，試圖將多自由度體系在大震作用下的彈塑性特性通過轉(zhuǎn)化成單自由度來體現(xiàn)，目的是構(gòu)思一種罕遇地震作用下結(jié)構(gòu)抗震性能的快速評估方法。

4.2時程分析

時程分析又稱為動態(tài)分析法，一般可分為彈性時程分析和彈塑性時程分析。它是將地震波按時段進行數(shù)值分析后，按照地震波的特性施加到結(jié)構(gòu)上，時程分析法可以得出結(jié)構(gòu)在地震波中各個時段的各個構(gòu)件的應(yīng)力和位移反應(yīng)，計算出結(jié)構(gòu)在整個強震下的振動狀態(tài)全過程，并描述各個時刻每一構(gòu)件的內(nèi)力和變形，時程分析法可以具體和準確的描述出結(jié)構(gòu)在實際地震作用下各個構(gòu)件的工作狀態(tài)。

在不規(guī)則建筑中，結(jié)構(gòu)體型變化大，且常常出現(xiàn)平面、立面收進并存在樓板開洞嚴重等，導致了結(jié)構(gòu)的剛度和質(zhì)量分布不合理，可能引起結(jié)構(gòu)發(fā)生整體或局部的扭轉(zhuǎn)。結(jié)構(gòu)本身存在著很多薄弱環(huán)節(jié)和安全隱患。通過時程分析可以查找發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)在地震作用下薄弱部位和安全隱患，從而保證結(jié)構(gòu)的抗震性能。因此，在抗震設(shè)計過程中，對結(jié)構(gòu)進行地震下的時程分析是必要的。

5、結(jié)束語

本文主要研究了不規(guī)則結(jié)構(gòu)在地震作用下的分析方法，包括早期的抗震分析方法，反應(yīng)譜理論分析方法和基于性能的抗震設(shè)計分析方法等等，列舉出目前基于性能的抗震設(shè)計分析方法的實際應(yīng)用，對不規(guī)則結(jié)構(gòu)的抗震分析的若干方法進行了綜述。