不規(guī)則建筑結構地震反應分析

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　歷次地震的震害經(jīng)驗表明，建筑結構的平面規(guī)則性對結構的抗震性能有重要影響。因此，對不規(guī)則建筑結構設計的抗震性能我們應該提出更高的要求。

　　0 引言

　　隨著社會的發(fā)展與進步，人們對建筑功能和建筑美學的要求不斷提高，我國出現(xiàn)了越來越多型體復雜、結構不對稱的建筑，而且不規(guī)則建筑結構已經(jīng)逐漸成為建筑發(fā)展的新趨勢。近年來，我國歷經(jīng)了多次地震的重創(chuàng)，歷次地震的震害經(jīng)驗表明，建筑結構的平面規(guī)則性對結構的抗震性能有重要影響。平面較規(guī)則的結構在地震作用下扭轉反應較小，損傷較輕；而不規(guī)則、不連續(xù)的結構平面布置所產(chǎn)生的扭轉效應導致的結構破壞是相當嚴重的。因此，對不規(guī)則建筑結構設計的抗震性能我們應該提出更高的要求。

　　1 結構產(chǎn)生扭轉反應的原因及判定

　　1.1結構本身不規(guī)則結構本身的不規(guī)則包括三個方面：第一是樓層質心的偏移，這是由于質量分布的隨機性造成的，主要表現(xiàn)在結構自重和荷載的實際分布變化，質量中心與結構的幾何中心不重合，存在一定程度的偏離；第二，由于施工工藝和條件的限制、構件尺寸控制的誤差、結構材料性質的變異性、構件受荷歷程的不同、構件實際的邊界條件與設想的差別等因素，使剛度存在不確定性，造成的剛度中心偏移；第三是結構剛度退化的不均勻，當結構進入彈塑性階段時，本來是規(guī)則對稱的結構，也會出現(xiàn)隨變形形態(tài)而變化的扭轉效應。例如，結構某一角柱進入彈塑性狀態(tài)，它的剛度較彈性階段時小，而其他的角柱可能仍處于彈性階段，這時，剛度分布在結構平面內(nèi)發(fā)生了變化，導致剛度不對稱，使結構產(chǎn)生扭轉反應。

　　1.2扭轉不規(guī)則的判定建筑結構的平面不規(guī)則性大致可以分為三種：一是平面形狀不規(guī)則，也稱為凹凸不規(guī)則；二是樓板局部不連續(xù)，連接較弱；三是抗側力體系布置引起的扭轉不規(guī)則。國內(nèi)外的建筑規(guī)范都是從不規(guī)則結構的震害實際調查著手，考慮地震作用的不確定性和地震效應計算的不完整性，對結構的不規(guī)則性給出了判別的準則。在這三種不規(guī)則性中，平面形狀不規(guī)則和樓板局部不連續(xù)的判別比較直觀。而扭轉不規(guī)則，是結構平面不規(guī)則最重要的控制指標，需要進行分析計算來判別。

　　1.3判定指標--位移比值由不規(guī)則結構的地震反應特征入手，通過分析質量和剛度平面分布，確定結構反應，計算扭轉變形與側向變形的相對大小，通過扭轉位移比值來判別結構的不規(guī)則性。如果結構扭轉變形太大，會造成邊緣構件變形過大，進而過早的進入破壞狀態(tài)，造成局部倒塌繼而可能引起整體結構倒塌，這樣的破壞機制難以實現(xiàn)整體結構的延性，對結構抗震十分不利。因此，控制扭轉位移比值是需要我們高度重視的工作之一。

　　2 我國不規(guī)則結構的抗震設計方法

　　針對不規(guī)則結構進行抗震設計主要有地震反應分析方法和構造措施兩個方面。我國現(xiàn)行規(guī)范采用扭轉耦聯(lián)振型分解反應譜法時，考慮了結構的實際偏心，但沒有考慮結構的偶然偏心；只有在計算地震扭轉作用時考慮結構的偶然偏心。我國通常采用的抗震設計方法有：①等效靜力法；②振型分解反應譜法。

　　在采用振型分解反應譜方法計算地震作用效應時，對于單向水平地震效應組合方法，我國新建筑規(guī)范中增加了考慮兩個主軸方向同時施加地震作用，以及雙向水平地震作用效應的組合，即取一個方向100％的值與另一個方向85％的值的“平方和平方根組合”。由此可見，我國對建筑結構抗震性能提出了越來越高的要求。

　　3 不規(guī)則結構的地震反應分析與評估

　　3.1振型分解反應譜法分析振型分解反應譜法是利用單自由度體系反應譜和振型分解原理，解決多自由度體系地震反應的計算方法，它考慮了結構動力特性與地震動力特性之間的關系，通過反應譜來計算由結構動力特性所產(chǎn)生的動力反應。反應譜曲線是以周期為橫軸，反應為縱軸的反應周期關系曲線。

　　3.2振型分解反應譜法優(yōu)點振型分解反應譜法考慮了地震強度和結構物的動力特性，以及建筑場地和震中距的影響。早在五十年代反應譜法就廣泛地為各國建筑規(guī)范所采用，而且至今仍然是我國和世界上許多國家結構抗震設計規(guī)范中地震作用計算的理論基礎。此外，由于反應譜是根據(jù)國內(nèi)外大量地震記錄計算出的單質點系最大地震反應而繪制出的，從統(tǒng)計理論角度能較確切地給出結構在其使用期內(nèi)遭遇地震的最大反應，相對在定量上較為可靠，這正是反應譜法的突出優(yōu)點。

　　3.3振型分解反應譜法評估雖然反應譜法有著理論成熟、計算簡單的優(yōu)點。然而，由于其實質上的局限性，反應譜法有如下不足之處：

　　①反應譜雖然考慮了結構動力特性所產(chǎn)生的共振效應，但在設計中仍然把地震慣性力按照靜力來對待，所以反應譜理論只是一種準動力理論；

　?、诘卣饎拥娜厥钦穹㈩l譜和持續(xù)時間，在制作反應譜過程中只考慮了地震動的前兩個要素--振幅和頻譜，未能反映地震動持續(xù)時間對結構破壞程度的重要影響；

　?、鄯磻V是根據(jù)彈性結構地震反應繪制的，只能籠統(tǒng)地給出結構進入彈塑性狀態(tài)的結構整體最大地震反應，不能給出結構地震反應的全過程，更不能給出地震過程中各構件進入彈塑性變形階段的內(nèi)力和變形狀態(tài)，因而也就無法找出結構的薄弱環(huán)節(jié)。因此，如何彌補振型分解反應譜法的不足，是我們在未來工作中需要研究、探討和解決的關鍵問題。

　　4 結語

　　由于地震作用的不確定性，以往大量的計算結果表明，結構對不同地震波的反應差別很大，致使計算結果，即彈塑性位移和內(nèi)力值相差數(shù)倍甚至十幾倍之多。為充分估計結構在未來地震作用下的最大反應，以確保結構的安全，采用振型分解反應譜法對高層建筑進行抗震設計時，有必要選取四條典型的具有不同特性的實際強震記錄或人工地震波作為設計用地震波，分別對結構進行彈塑性反應計算，然后取其平均值或最大值作為構件截面設計的依據(jù)