邱健 李詩月

【摘要】我國的地理位置，經(jīng)過了世界三大地震帶中的環(huán)太平洋地震帶、歐亞地震帶。因此自古以來，我國都是地震的易發(fā)區(qū)、高發(fā)區(qū)。統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，近幾年來板塊地質(zhì)構(gòu)造運動活躍，地震高發(fā)。以2008年的汶川地震為例，該次地震為淺源地震，震級為8.0級，震中烈度高達11度，震源深度為10-20千米，破壞性巨大，包括震中50千米范圍內(nèi)的縣城和200千米范圍內(nèi)的大中城市，我國大部分省市均有震感，甚至泰國首都曼谷、越南首都河內(nèi)都有不同程度的震感。震害的頻繁，使得對建筑結(jié)構(gòu)抗震性能的要求更為嚴格，如何把握住建筑結(jié)構(gòu)抗震設計的精準性，對建筑結(jié)構(gòu)地震內(nèi)力的計算提出了挑戰(zhàn)。

【關(guān)鍵字】建筑結(jié)構(gòu)抗震設計，振型分解反應譜法，底部剪力法，時程分析法

一、 抗震結(jié)構(gòu)設計的基本要求：

建筑的抗震結(jié)構(gòu)設計，從大體上來說，可以分為以下三個步驟：概念設計、抗震計算、構(gòu)造措施。概念設計在總體上把握抗震設計的基本原則，抗震計算為建筑抗震設計提供了定量手段，構(gòu)造措施則可以在保證結(jié)構(gòu)整體性、加強局部薄弱環(huán)節(jié)等意義上保證抗震計算結(jié)果的有效性。這三個層次的內(nèi)容，是不可分割的，彼此之間相輔相成，缺一不可，任何一個環(huán)節(jié)的失誤，都有可能造成抗震設計的失敗。

在這里，我們重點討論"抗震計算"，并以水平地震作用力為討論點。建筑結(jié)構(gòu)抗震內(nèi)力的計算，大體上可以分為三種，底部剪力法、振型分解反應譜法、時程分析法。高度不超過40m，以剪切變形為主，且質(zhì)量和剛度沿高度分布比較均勻的結(jié)構(gòu)，以及近似于單質(zhì)點體系的結(jié)構(gòu)，可采用底部剪力法。除以上所包括的結(jié)構(gòu)外的建筑結(jié)構(gòu)，宜采用振型分解反應譜法。特別不規(guī)則的建筑、甲類建筑和超過一定高度的高層建筑，應采用時程分析法進行多遇地震下的補充計算。在下文中，將分別對這三種內(nèi)力計算法以及它們對結(jié)構(gòu)設計的影響進行闡述和分析。

二、 振型分解反應譜法

振型分解反應譜法利用單自由度體系的加速度設計反應譜和振型分解的原理，求解各階振型對應的等效地震作用，然后按照一定的組合原則對各階振型的地震作用效應進行組合，從而得到多自由度體系的地震作用效應。

振型分解分解反應譜法默認了根據(jù)周期阻尼梁柱剛度比等信息確定各階振型對應的地震作用。當使用振型分解反應譜法分析多個質(zhì)點在多種不同振型下的水平地震作用力時，可將質(zhì)點i的第j振型水平地震作用表達為，進行結(jié)構(gòu)抗震設計需采用設計譜，由地震影響系數(shù)設計譜與地震反應譜的關(guān)系式可得，式中，為質(zhì)點i的重量，為按體系第j階周期計算的第j振型地震影響系數(shù)。由振型j各質(zhì)點水平地震作用，按靜力分析方法計算，可得體系振型j最大的地震反應記做。由于在地震作用下，結(jié)構(gòu)可能出現(xiàn)多種 振型，故該結(jié)構(gòu)體系最大的地震反應S，可以通過估計，這種估計的方法就是振型組合。而振型組合如何更為精確，通過隨機振動理論分析，可知采用平方和開方的方法，即。

當然，振型分解反應譜法也存在著不足，該方法的試用范圍是在結(jié)構(gòu)彈性范圍內(nèi)計算的，他并沒有考慮結(jié)構(gòu)的塑性狀態(tài)，并且該方法也沒有考慮時間因素，它主要的計算過程的核心是將結(jié)構(gòu)的最大加速度作為控制因素。

三、底部剪力法

底部剪力法是一種用靜力學方法近似的解決動力學問題的簡單實用大方法。底部剪力的發(fā)展較早，且其現(xiàn)在仍然在工程界被廣泛的使用。這種方法能夠從一定的程度上不完全的反映出荷載的動力特征。而底部剪力法計算的重點，則是對設計地震加速度的確定。

底部剪力法的使用，需要滿足以下的使用條件：房屋結(jié)構(gòu)的質(zhì)量和剛度沿高度分布比較均勻，房屋的總高度不超過40m，房屋結(jié)構(gòu)在地震運動作用下的變形以剪切變形為主，房屋結(jié)構(gòu)在地震運動作用下的扭轉(zhuǎn)效應可忽略不計。

為了簡化滿足底部剪力法條件的結(jié)構(gòu)地震反應計算，需要假定結(jié)構(gòu)的地震反應可用第一振型反應表征，結(jié)構(gòu)的第一振型為線性倒三角，即任意質(zhì)點的第一振型位移與其高度成正比。經(jīng)過推論和計算，可以得出結(jié)構(gòu)底部剪力的計算可簡化為，其中為等效總重力荷載。

與振型分解反應譜法相比，底部剪力法多用于底層的、較規(guī)則的結(jié)構(gòu)中，如多層框架、或者是砌體結(jié)構(gòu)的住宅樓等。而振型分解反應譜法可以考慮多階振型互相耦合的作用，其適用范圍相對來說更加的寬泛。但是從某些情況來說，如單階振型時，則振型分解反應譜法和底部剪力法應該是一致的。

四、 時程分析法

時程分析法在抗震結(jié)構(gòu)設計中，主要用于進行超高層建筑的抗震結(jié)構(gòu)內(nèi)力分析。它可以校正由于采用反應譜法振型分解和組合求解結(jié)構(gòu)內(nèi)力和位移時的誤差。特別是對于周期長達幾秒以上的高層建筑，由于設計反應譜在長周期段的人為調(diào)整以及計算中對高階振型的影響估計不足產(chǎn)生的誤差?？梢杂嬎憬Y(jié)構(gòu)在非彈性階段的地震反應，對結(jié)構(gòu)進行大震作用下的變形驗算，從而確定結(jié)構(gòu)的薄弱層和薄弱部位，以便采取適當?shù)臉?gòu)造措施?？梢杂嬎憬Y(jié)構(gòu)和各結(jié)構(gòu)構(gòu)件在地展作用下每個時刻的地震反應（內(nèi)力和變形），提供按內(nèi)力包絡值配筋和按地震作用過程每個時刻的內(nèi)力配筋最大值進行配筋這兩種方式?？偟膩碚f，時程分析法具有許多優(yōu)點，它的計算結(jié)果能更真實地反映結(jié)構(gòu)的地震反應，從而能更精確細致地暴露結(jié)構(gòu)的薄弱部位。

我國建筑抗震設計規(guī)范采用了以下兩個階段，第一階段是按多遇地震烈度對應的地震作用效應和其他荷載效應的組合驗算結(jié)構(gòu)構(gòu)件的承載力，通俗的說就是"小震不壞"。第二階段是按罕遇地震烈度對應的地震作用效應驗算結(jié)構(gòu)的彈塑性變形，即"大震不倒"。而時程分析法主要就是討論在罕遇地震的情況下彈塑性變形。

五、 抗震結(jié)構(gòu)設計前景分析

建筑結(jié)構(gòu)抗震一直是建筑工程設計中的重要課題，震害的發(fā)生具有突發(fā)性，只有從本質(zhì)和根源上提高結(jié)構(gòu)自身的抗震性能，才能在地震來襲時保證生命財產(chǎn)的安全。目前的抗震措施很多，從設計和計算上入手是非常有效的。精確的地震內(nèi)力計算，能夠為建筑抗震的設計提供量化的依據(jù)。結(jié)構(gòu)師們只有掌握好了多種地震內(nèi)力的計算方法，才能創(chuàng)造出更有適用性的抗震結(jié)構(gòu)設計。