【摘要】：本文從結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)的角度，分析地震波和地震的地面運(yùn)動(dòng)特性和規(guī)律，重點(diǎn)講述幾種抗震設(shè)計(jì)的分析方法——靜力彈塑性分析法、時(shí)程分析法（彈性與彈塑性）和反應(yīng)譜分析法。

【關(guān)鍵詞】：地震反應(yīng);抗震分析;抗震設(shè)計(jì)

地震和震害的研究是結(jié)構(gòu)抗震分析的前提和基礎(chǔ)，直接影響著抗震設(shè)計(jì)的方法，本文從結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)的角度，分析地震波和地震的地面運(yùn)動(dòng)特性和規(guī)律，重點(diǎn)講述幾種抗震設(shè)計(jì)的分析方法——靜力彈塑性分析法、時(shí)程分析法（彈性與彈塑性）和反應(yīng)譜分析法。

建筑結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)一般按照以下五個(gè)步驟進(jìn)行：抗震的設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)選定、抗震的概念設(shè)計(jì)、地震反應(yīng)分析、抗震性能驗(yàn)算以及抗震構(gòu)造設(shè)計(jì)。本文著眼于地震反應(yīng)分析出發(fā)，簡(jiǎn)單介紹3種最常用的結(jié)構(gòu)相應(yīng)分析方法，對(duì)基本概念和適用范圍、抗震設(shè)計(jì)規(guī)范中存在的問題。

一、分析方法

1、常用結(jié)構(gòu)分析方法1——底部剪力法

定義：根據(jù)地震反應(yīng)譜理論，以工程結(jié)構(gòu)底部的總地震剪力與等效單質(zhì)點(diǎn)的水平地震作用相等來確定結(jié)構(gòu)總地震作用的一種計(jì)算方法。

適用于基本振型主導(dǎo)的規(guī)則和高寬比很小的結(jié)構(gòu)，采用簡(jiǎn)化的方式也可滿足工程設(shè)計(jì)精度的要求。

通過底部剪力法的分析理念，簡(jiǎn)化的估算出建筑結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)，在靜力的概念上把握結(jié)構(gòu)的抗震能力，便于結(jié)構(gòu)抗震概念設(shè)計(jì)。

高規(guī)規(guī)定：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高層建筑結(jié)構(gòu)，可采用底部剪力法。

2、常用結(jié)構(gòu)分析方法2——振型分解反應(yīng)譜法

定義：是用來計(jì)算多自由度體系地震作用的一種方法。該法是利用單自由度體系的加速度設(shè)計(jì)反應(yīng)譜和振型分解的原理，求解各階振型對(duì)應(yīng)的等效地震作用，然后按照一定的組合原則對(duì)各階振型的地震作用效應(yīng)進(jìn)行組合，從而得到多自由度體系的地震作用效應(yīng)。該法一般可考慮為計(jì)算兩種類型的地震作用：不考慮扭轉(zhuǎn)影響的水平地震作用和考慮平扭藕聯(lián)效應(yīng)的地震作用。

反應(yīng)譜的振型分解組合法常用的有兩種：SRSS和CQC。一般而言，對(duì)于那些對(duì)結(jié)構(gòu)反應(yīng)起重要作用的振型所對(duì)應(yīng)頻率稀疏的結(jié)構(gòu)，并且地震此時(shí)長(zhǎng)，阻尼不太?。üこ躺弦话愣伎梢詽M足）時(shí)，采用SRSS比較精確，頻率稀疏表面上的反應(yīng)就是結(jié)構(gòu)的振型周期拉的比較開;而對(duì)于那些結(jié)構(gòu)反應(yīng)起重要作用的振型所對(duì)應(yīng)的頻率密集的結(jié)果（高振型的影響較大，或者考慮扭轉(zhuǎn)振型的條件下），采用CQC比較精確。

高規(guī)規(guī)定：高層建筑結(jié)構(gòu)宜采用振型分解反應(yīng)譜法。對(duì)質(zhì)量和剛度不對(duì)稱、不均勻的結(jié)構(gòu)以及高度超過100m的高層建筑結(jié)構(gòu)應(yīng)采用考慮扭轉(zhuǎn)耦聯(lián)振動(dòng)影響的振型分解反應(yīng)譜法。

3.常用結(jié)構(gòu)分析方法3——時(shí)程分析法

定義：由結(jié)構(gòu)基本運(yùn)動(dòng)方程沿時(shí)間歷程進(jìn)行積分求解結(jié)構(gòu)振動(dòng)響應(yīng)的方法。

理論上時(shí)程分析是最準(zhǔn)確的結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)分析方法，但是由于其分析的復(fù)雜性，且地震波的隨機(jī)性，因此一般只是把它作為反應(yīng)譜的驗(yàn)證方法而不是直接的設(shè)計(jì)方法使用。

高規(guī)規(guī)定：7～9度抗震設(shè)防的高層建筑，下列情況應(yīng)采用彈性時(shí)程分析法進(jìn)行多遇地震下的補(bǔ)充計(jì)算：1）甲類高層建筑結(jié)構(gòu);2）表3.3.4所列的乙、丙類高層建筑結(jié)構(gòu);3）不滿足本規(guī)程第4.4.2～4.4.5條規(guī)定的高層建筑結(jié)構(gòu);4）本規(guī)程第10章規(guī)定的復(fù)雜高層建筑結(jié)構(gòu);5）質(zhì)量沿豎向分布特別不均勻的高層建筑結(jié)構(gòu)。

4.反應(yīng)譜分析與時(shí)程分析對(duì)于高階振型計(jì)算的不同之處

一般反應(yīng)譜的高頻段是采用平臺(tái)段來表達(dá)的，實(shí)際上對(duì)于高階振型反應(yīng)不顯著的結(jié)構(gòu)而言，反應(yīng)譜適用性很好，也足夠準(zhǔn)確。但是對(duì)于高柔結(jié)構(gòu)而言，一般高階振型的影響比較顯著，采用時(shí)程分析的時(shí)候，等于其高頻段的峰值并未被人為削成平臺(tái)段，因此采用時(shí)程分析的時(shí)候此頻段的地震響應(yīng)可能很大，一般表現(xiàn)為高層建筑的頂部或者對(duì)其他結(jié)構(gòu)對(duì)高階振型影響顯著部位，其地震響應(yīng)峰值比反應(yīng)譜分析結(jié)果要大（但是總體的剪力和彎矩差別則沒這么明顯）。

二.現(xiàn)有抗震設(shè)計(jì)規(guī)范中存在的問題

通過對(duì)不同規(guī)范的比較，以及參考其它文獻(xiàn)。目前在我國(guó)的抗震設(shè)計(jì)規(guī)范中還存在以下有待深入研究解決的問題：

1.長(zhǎng)周期反應(yīng)譜問題

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)建設(shè)發(fā)展，高聳結(jié)構(gòu)和大跨度橋梁建設(shè)的飛速發(fā)展迫切需要解決長(zhǎng)周期反應(yīng)譜取值問題。建規(guī)反應(yīng)譜截止周期是6s，公規(guī)的截止周期是5s。而目前已有很多工程結(jié)構(gòu)的基本周期遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了規(guī)范的截止周期，規(guī)范反應(yīng)譜已經(jīng)不能滿足超高層建筑和大跨度橋梁抗震反應(yīng)譜分析的要求。

2.阻尼修正問題

阻尼比不僅影響反應(yīng)譜的形狀，而且對(duì)反應(yīng)譜不同周期段的影響程度是不一樣的，總的趨勢(shì)是阻尼對(duì)長(zhǎng)周期部分反應(yīng)譜的影響小，對(duì)高頻部分影響大。阻尼比取值或者不同振型阻尼比取值的不同將會(huì)直接影響到地震反應(yīng)的計(jì)算結(jié)果。而且，隨著建規(guī)控制技術(shù)、減震耗能措施的大量推廣應(yīng)用，結(jié)構(gòu)中不同構(gòu)件間的阻尼比會(huì)有很大變化。目前，建規(guī)中已經(jīng)考慮了阻尼的影響采用了一個(gè)阻尼調(diào)整系數(shù)進(jìn)行調(diào)整。而公規(guī)中還是以5%的臨界阻尼比為依據(jù)。因此，迫切需要針對(duì)不同結(jié)構(gòu)阻尼比對(duì)反應(yīng)譜進(jìn)行修正。

3.位移反應(yīng)譜

目前的抗震設(shè)計(jì)方法實(shí)質(zhì)上是基于強(qiáng)度的設(shè)計(jì)方法，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)先通過彈性設(shè)計(jì)確定結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)強(qiáng)度水平，并利用結(jié)構(gòu)的延性能力彌補(bǔ)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的不足。在延性設(shè)計(jì)方法中，延性主要用于結(jié)構(gòu)變形驗(yàn)算，并不作為設(shè)計(jì)目標(biāo)。對(duì)于超高層建筑和大跨度橋梁等長(zhǎng)自振周期的結(jié)構(gòu)，實(shí)際強(qiáng)震記錄計(jì)算表明，反應(yīng)譜長(zhǎng)周期段衰減很快，當(dāng)T→∞是，結(jié)構(gòu)主要受位移控制。因此有必要發(fā)展基于位移的設(shè)計(jì)方法。

4.反應(yīng)譜組合方法

但前反應(yīng)譜組合方法主要是基于單分量地震作用下的振型組合問題，從大跨度橋梁抗震分析角度來看，發(fā)展不同地震動(dòng)分量作用下和多點(diǎn)激勵(lì)下的地震反應(yīng)振型組合是規(guī)范中有待完善的地方。

5.考慮地震動(dòng)持時(shí)和能量

地震動(dòng)持時(shí)和能量輸入對(duì)結(jié)構(gòu)的彈塑性地震反應(yīng)及累積損傷的影響已為地震工程界所共識(shí)，有學(xué)者提出了各種計(jì)算持時(shí)和能量以及如何考慮結(jié)構(gòu)破壞乃至倒塌的方法。但如何以規(guī)范條文形式來規(guī)范這些算法使其最終成為實(shí)用的設(shè)計(jì)方法仍有待進(jìn)一步努力。

6.抗震設(shè)計(jì)方法的改進(jìn)

現(xiàn)行規(guī)范采用的反應(yīng)譜方法存在著缺陷，對(duì)于超高、大跨度等長(zhǎng)周期結(jié)構(gòu)無能為力，只好以規(guī)定最小地震作用的辦法解決。因此應(yīng)發(fā)展相應(yīng)的抗震計(jì)算方法。目前，比較熱門的研究方向是采用能量設(shè)計(jì)方法和隨機(jī)振動(dòng)理論進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)。

總而言之，目前常用的幾種結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)分析方法雖各有優(yōu)勢(shì)，但也受適應(yīng)范圍都限制，有些疑難問題無法精確解決。因此我們?cè)诮Y(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)時(shí)不能簡(jiǎn)單的按照一般步驟（圖1）完成，應(yīng)該首先要從概念設(shè)計(jì)出發(fā)，選擇整體結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)方式，并進(jìn)行性能評(píng)估，然后才進(jìn)行分析，最后還要進(jìn)行性能驗(yàn)算和構(gòu)造設(shè)計(jì)，以彌補(bǔ)現(xiàn)行分析方法的不足，保證結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的安全。

[1] 李愛群;丁幼亮.工程結(jié)構(gòu)抗震分析[M].北京：高等教育出版社，2010.01

[2] 李國(guó)強(qiáng).建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)第二版[M].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2008.02