文/周兆輝、蘇志彬 聊城大學(xué) 建筑工程學(xué)院 山東聊城 252059

1、引言

進(jìn)行建筑抗震設(shè)計(jì)的關(guān)鍵步驟是要對(duì)地震作用進(jìn)行計(jì)算，目前國內(nèi)外常用的計(jì)算方法主要有：底部剪力法、振型分解反應(yīng)譜法以及時(shí)程分析法三種。本文將就時(shí)程分析法進(jìn)行淺析。

2、時(shí)程分析法的定義及原理

時(shí)程分析法是20世紀(jì)60年代逐步發(fā)展起來的一種抗震分析方法。它是由結(jié)構(gòu)基本運(yùn)動(dòng)方程輸入地震加速度記錄進(jìn)行積分，求得整個(gè)時(shí)間歷程內(nèi)結(jié)構(gòu)地震作用效應(yīng)的一種結(jié)構(gòu)動(dòng)力計(jì)算方法，又稱為直接動(dòng)力法。

3、時(shí)程分析法的類別

首先，是作為第一階段抗震計(jì)算補(bǔ)充方法的彈性時(shí)程分析。在這一階段中，由于要滿足在小震作用下，建筑物保持原樣，不受破壞的要求，要用時(shí)程分析進(jìn)行補(bǔ)充計(jì)算。且在計(jì)算過程中，建筑物發(fā)生線性變化，結(jié)構(gòu)的剛度和阻尼也保持不變。

其次是作為第二階段抗震計(jì)算方法的彈塑性時(shí)程分析。在這一階段，由于要滿足建筑物在強(qiáng)震作用下，建筑物能夠挺立不倒的要求，必須要用時(shí)程分析法進(jìn)行補(bǔ)充計(jì)算。且在計(jì)算過程中，建筑物發(fā)生非線性變化，隨時(shí)間的變化，結(jié)構(gòu)剛度和阻尼也會(huì)發(fā)生變化[1]。

4、時(shí)程分析法的適用范圍

時(shí)程分析法的計(jì)算工作十分繁重，必須借助計(jì)算機(jī)，并且會(huì)產(chǎn)生較高的費(fèi)用，且存在許多難以確定的計(jì)算參數(shù)。因此目前僅在一些特殊的、復(fù)雜的、重要的以及高層建筑結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)中應(yīng)用?！督ㄖ拐鹪O(shè)計(jì)規(guī)范》對(duì)時(shí)程分析法的適用范圍規(guī)定如下：特別不規(guī)則的建筑、甲類建筑和下表所列高度范圍的高層建筑，應(yīng)采用時(shí)程分析法進(jìn)行多遇地震下的補(bǔ)充計(jì)算[2]。

5、時(shí)程分析法相對(duì)于其他兩種方法的優(yōu)劣勢

5.1 優(yōu)勢

1）能夠計(jì)算出結(jié)構(gòu)和構(gòu)件在彈塑性階段（非線性階段）的地震響應(yīng)，從而能實(shí)現(xiàn)對(duì)模擬強(qiáng)震作用下的建筑物進(jìn)行塑性變形計(jì)算，從而確定結(jié)構(gòu)易受破壞的部位和層，以便對(duì)該部位或?qū)硬扇∠鄳?yīng)補(bǔ)救措施。 2）時(shí)程分析法全面地反應(yīng)了頻譜特性、地震動(dòng)強(qiáng)度與持續(xù)時(shí)間三要素，從而彌補(bǔ)了反應(yīng)譜法只能反映平均頻譜特性和地震動(dòng)強(qiáng)度的缺陷。

3）反應(yīng)譜法是非常局限的，它只能給出在地震作用過程中最大地震反應(yīng)，而時(shí)程分析法更具有過程性，更符合實(shí)際情況，能夠給出在整個(gè)作用過程中的反應(yīng)時(shí)程曲線，依據(jù)該曲線可以找出各構(gòu)件或部位出現(xiàn)塑性變形的順序，判別結(jié)構(gòu)的破壞機(jī)理。

4）時(shí)程分析法能夠計(jì)算出各個(gè)結(jié)構(gòu)和構(gòu)件在每個(gè)時(shí)刻的內(nèi)力和變形，從而可以提供兩種配筋方式：①按地震作用過程每個(gè)時(shí)刻的內(nèi)力配筋最大值進(jìn)行配筋。②按內(nèi)力包絡(luò)值配筋。

總體上來看，相對(duì)于其他幾種方法，時(shí)程分析法具有其獨(dú)到的優(yōu)勢，尤其是它在地震過程中對(duì)結(jié)構(gòu)和構(gòu)件地震響應(yīng)的準(zhǔn)確模擬，使得能夠更精確地找到結(jié)構(gòu)的薄弱部位，從而提前采取相應(yīng)的補(bǔ)救措施[3]。

5.2 劣勢

首先，時(shí)程分析法是將一條地震波作為輸入，所以只反應(yīng)結(jié)構(gòu)在一條特定地震波作用下的性能，不具有普遍性。其次，時(shí)程分析法需要進(jìn)行大量計(jì)算，對(duì)設(shè)計(jì)人員要求較高，并且提高了成本[3]。

6、在應(yīng)用中結(jié)構(gòu)彈塑性時(shí)程分析的具體步驟

1）選取多條強(qiáng)震加速度時(shí)程曲線作為設(shè)計(jì)用地震動(dòng)輸入。在選擇時(shí)要依據(jù)建筑物所在地的設(shè)防烈度、震中距遠(yuǎn)近以及場地條件等多方面因素，并且選定的地震動(dòng)曲線要具有獨(dú)特性和典型性。地震動(dòng)對(duì)結(jié)構(gòu)時(shí)程分析的結(jié)果起決定性作用，目前，國內(nèi)外輸入地震動(dòng)的選擇，大多數(shù)為幾條典型性的地震動(dòng)記錄，例如，適用于Ⅰ類場地的灤河波、適用于Ⅱ、Ⅲ類場地的EI—Centrol波（1940，N—S）和Taft（1952，E—W）波、適用于Ⅳ類場地的寧河波等。

2) 建立合理的結(jié)構(gòu)振動(dòng)模型。模型要符合地震內(nèi)容要求、計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)量以及結(jié)構(gòu)體系的力學(xué)特性。常用的模型有有限元模型、層模型和桿模型。

3) 選擇恰當(dāng)?shù)臉?gòu)件恢復(fù)力模型。選擇的依據(jù)是按照選定的構(gòu)件類型、構(gòu)件受力狀態(tài)以及結(jié)構(gòu)材料特性來確定，并確定相應(yīng)的線段剛度值。

4) 建立結(jié)構(gòu)在地震作用下的振動(dòng)微分方程。

5) 采用逐步積分法求解振動(dòng)方程。常用的積分方法是增量法，用增量法求解地震反應(yīng)方程有多種，如：線性加速度法、龍格—庫塔法和終點(diǎn)加速度法等等。任意一種方法都是以地震反應(yīng)變化量方程為基礎(chǔ)，將地震作用時(shí)間分為多個(gè)微段，對(duì)于每個(gè)時(shí)間微段求出擬靜力方程，進(jìn)而求出該時(shí)間微段的地震反應(yīng)變化量，如此逐步計(jì)算下去，便可求出整個(gè)地震作用下的時(shí)程反應(yīng)[4]。

7、時(shí)程分析法的下一步研究方向

①依托于現(xiàn)代高速發(fā)展的計(jì)算機(jī)技術(shù)，利用軟硬件相結(jié)合，解決時(shí)程分析法計(jì)算量巨大的問題，突破制約其發(fā)展的一個(gè)阻礙。②加大對(duì)輸入計(jì)算模型的地震波的研究，讓其更具有代表性，從而是計(jì)算更加準(zhǔn)確。

結(jié)語：

地震是不可避免的，但能通過建筑物的抗震設(shè)計(jì)來減小地震的損失。筆者相信，隨著科技與經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，建筑工作者們一定能在時(shí)程分析等抗震設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵步驟上做出巨大突破，給地震中人民生命財(cái)產(chǎn)的安全以保障，為人類抗震設(shè)防事業(yè)做出巨大貢獻(xiàn)！

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[1]楊志勇，黃吉鋒.彈性、彈塑性時(shí)程分析法在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[J].建筑結(jié)構(gòu),2007,9(1):11-13.

[2]GB50011—2010,建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[3]葉列平，方鄂華.關(guān)于建筑結(jié)構(gòu)地震作用計(jì)算方法的討論[J].建筑結(jié)構(gòu),2009,39（2）:127.

[4]程紹革，王理，張?jiān)薯?彈塑性時(shí)程分析方法及其應(yīng)用[J].建筑結(jié)構(gòu),2000,21(1):52-56.