不規(guī)則建筑結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)分析

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　歷次地震的震害經(jīng)驗(yàn)表明，建筑結(jié)構(gòu)的平面規(guī)則性對(duì)結(jié)構(gòu)的抗震性能有重要影響。因此，對(duì)不規(guī)則建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的抗震性能我們應(yīng)該提出更高的要求。

　　0 引言

　　隨著社會(huì)的發(fā)展與進(jìn)步，人們對(duì)建筑功能和建筑美學(xué)的要求不斷提高，我國(guó)出現(xiàn)了越來(lái)越多型體復(fù)雜、結(jié)構(gòu)不對(duì)稱(chēng)的建筑，而且不規(guī)則建筑結(jié)構(gòu)已經(jīng)逐漸成為建筑發(fā)展的新趨勢(shì)。近年來(lái)，我國(guó)歷經(jīng)了多次地震的重創(chuàng)，歷次地震的震害經(jīng)驗(yàn)表明，建筑結(jié)構(gòu)的平面規(guī)則性對(duì)結(jié)構(gòu)的抗震性能有重要影響。平面較規(guī)則的結(jié)構(gòu)在地震作用下扭轉(zhuǎn)反應(yīng)較小，損傷較輕；而不規(guī)則、不連續(xù)的結(jié)構(gòu)平面布置所產(chǎn)生的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)破壞是相當(dāng)嚴(yán)重的。因此，對(duì)不規(guī)則建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的抗震性能我們應(yīng)該提出更高的要求。

　　1 結(jié)構(gòu)產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)反應(yīng)的原因及判定

　　1.1結(jié)構(gòu)本身不規(guī)則結(jié)構(gòu)本身的不規(guī)則包括三個(gè)方面：第一是樓層質(zhì)心的偏移，這是由于質(zhì)量分布的隨機(jī)性造成的，主要表現(xiàn)在結(jié)構(gòu)自重和荷載的實(shí)際分布變化，質(zhì)量中心與結(jié)構(gòu)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(gòu)件尺寸控制的誤差、結(jié)構(gòu)材料性質(zhì)的變異性、構(gòu)件受荷歷程的不同、構(gòu)件實(shí)際的邊界條件與設(shè)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(jié)構(gòu)剛度退化的不均勻，當(dāng)結(jié)構(gòu)進(jìn)入彈塑性階段時(shí)，本來(lái)是規(guī)則對(duì)稱(chēng)的結(jié)構(gòu)，也會(huì)出現(xiàn)隨變形形態(tài)而變化的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)。例如，結(jié)構(gòu)某一角柱進(jìn)入彈塑性狀態(tài)，它的剛度較彈性階段時(shí)小，而其他的角柱可能仍處于彈性階段，這時(shí)，剛度分布在結(jié)構(gòu)平面內(nèi)發(fā)生了變化，導(dǎo)致剛度不對(duì)稱(chēng)，使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)反應(yīng)。

　　1.2扭轉(zhuǎn)不規(guī)則的判定建筑結(jié)構(gòu)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(chēng)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(cè)力體系布置引起的扭轉(zhuǎn)不規(guī)則。國(guó)內(nèi)外的建筑規(guī)范都是從不規(guī)則結(jié)構(gòu)的震害實(shí)際調(diào)查著手，考慮地震作用的不確定性和地震效應(yīng)計(jì)算的不完整性，對(duì)結(jié)構(gòu)的不規(guī)則性給出了判別的準(zhǔn)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(zhuǎn)不規(guī)則，是結(jié)構(gòu)平面不規(guī)則最重要的控制指標(biāo)，需要進(jìn)行分析計(jì)算來(lái)判別。

　　1.3判定指標(biāo)--位移比值由不規(guī)則結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)特征入手，通過(guò)分析質(zhì)量和剛度平面分布，確定結(jié)構(gòu)反應(yīng)，計(jì)算扭轉(zhuǎn)變形與側(cè)向變形的相對(duì)大小，通過(guò)扭轉(zhuǎn)位移比值來(lái)判別結(jié)構(gòu)的不規(guī)則性。如果結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)變形太大，會(huì)造成邊緣構(gòu)件變形過(guò)大，進(jìn)而過(guò)早的進(jìn)入破壞狀態(tài)，造成局部倒塌繼而可能引起整體結(jié)構(gòu)倒塌，這樣的破壞機(jī)制難以實(shí)現(xiàn)整體結(jié)構(gòu)的延性，對(duì)結(jié)構(gòu)抗震十分不利。因此，控制扭轉(zhuǎn)位移比值是需要我們高度重視的工作之一。

　　2 我國(guó)不規(guī)則結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)方法

　　針對(duì)不規(guī)則結(jié)構(gòu)進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)主要有地震反應(yīng)分析方法和構(gòu)造措施兩個(gè)方面。我國(guó)現(xiàn)行規(guī)范采用扭轉(zhuǎn)耦聯(lián)振型分解反應(yīng)譜法時(shí)，考慮了結(jié)構(gòu)的實(shí)際偏心，但沒(méi)有考慮結(jié)構(gòu)的偶然偏心；只有在計(jì)算地震扭轉(zhuǎn)作用時(shí)考慮結(jié)構(gòu)的偶然偏心。我國(guó)通常采用的抗震設(shè)計(jì)方法有：①等效靜力法；②振型分解反應(yīng)譜法。

　　在采用振型分解反應(yīng)譜方法計(jì)算地震作用效應(yīng)時(shí)，對(duì)于單向水平地震效應(yīng)組合方法，我國(guó)新建筑規(guī)范中增加了考慮兩個(gè)主軸方向同時(shí)施加地震作用，以及雙向水平地震作用效應(yīng)的組合，即取一個(gè)方向100％的值與另一個(gè)方向85％的值的“平方和平方根組合”。由此可見(jiàn)，我國(guó)對(duì)建筑結(jié)構(gòu)抗震性能提出了越來(lái)越高的要求。

　　3 不規(guī)則結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)分析與評(píng)估

　　3.1振型分解反應(yīng)譜法分析振型分解反應(yīng)譜法是利用單自由度體系反應(yīng)譜和振型分解原理，解決多自由度體系地震反應(yīng)的計(jì)算方法，它考慮了結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性與地震動(dòng)力特性之間的關(guān)系，通過(guò)反應(yīng)譜來(lái)計(jì)算由結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性所產(chǎn)生的動(dòng)力反應(yīng)。反應(yīng)譜曲線是以周期為橫軸，反應(yīng)為縱軸的反應(yīng)周期關(guān)系曲線。

　　3.2振型分解反應(yīng)譜法優(yōu)點(diǎn)振型分解反應(yīng)譜法考慮了地震強(qiáng)度和結(jié)構(gòu)物的動(dòng)力特性，以及建筑場(chǎng)地和震中距的影響。早在五十年代反應(yīng)譜法就廣泛地為各國(guó)建筑規(guī)范所采用，而且至今仍然是我國(guó)和世界上許多國(guó)家結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)規(guī)范中地震作用計(jì)算的理論基礎(chǔ)。此外，由于反應(yīng)譜是根據(jù)國(guó)內(nèi)外大量地震記錄計(jì)算出的單質(zhì)點(diǎn)系最大地震反應(yīng)而繪制出的，從統(tǒng)計(jì)理論角度能較確切地給出結(jié)構(gòu)在其使用期內(nèi)遭遇地震的最大反應(yīng)，相對(duì)在定量上較為可靠，這正是反應(yīng)譜法的突出優(yōu)點(diǎn)。

　　3.3振型分解反應(yīng)譜法評(píng)估雖然反應(yīng)譜法有著理論成熟、計(jì)算簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)。然而，由于其實(shí)質(zhì)上的局限性，反應(yīng)譜法有如下不足之處：

　?、俜磻?yīng)譜雖然考慮了結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性所產(chǎn)生的共振效應(yīng)，但在設(shè)計(jì)中仍然把地震慣性力按照靜力來(lái)對(duì)待，所以反應(yīng)譜理論只是一種準(zhǔn)動(dòng)力理論；

　?、诘卣饎?dòng)的三要素是振幅、頻譜和持續(xù)時(shí)間，在制作反應(yīng)譜過(guò)程中只考慮了地震動(dòng)的前兩個(gè)要素--振幅和頻譜，未能反映地震動(dòng)持續(xù)時(shí)間對(duì)結(jié)構(gòu)破壞程度的重要影響；

　?、鄯磻?yīng)譜是根據(jù)彈性結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)繪制的，只能籠統(tǒng)地給出結(jié)構(gòu)進(jìn)入彈塑性狀態(tài)的結(jié)構(gòu)整體最大地震反應(yīng)，不能給出結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)的全過(guò)程，更不能給出地震過(guò)程中各構(gòu)件進(jìn)入彈塑性變形階段的內(nèi)力和變形狀態(tài)，因而也就無(wú)法找出結(jié)構(gòu)的薄弱環(huán)節(jié)。因此，如何彌補(bǔ)振型分解反應(yīng)譜法的不足，是我們?cè)谖磥?lái)工作中需要研究、探討和解決的關(guān)鍵問(wèn)題。

　　4 結(jié)語(yǔ)

　　由于地震作用的不確定性，以往大量的計(jì)算結(jié)果表明，結(jié)構(gòu)對(duì)不同地震波的反應(yīng)差別很大，致使計(jì)算結(jié)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(jì)結(jié)構(gòu)在未來(lái)地震作用下的最大反應(yīng)，以確保結(jié)構(gòu)的安全，采用振型分解反應(yīng)譜法對(duì)高層建筑進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)時(shí)，有必要選取四條典型的具有不同特性的實(shí)際強(qiáng)震記錄或人工地震波作為設(shè)計(jì)用地震波，分別對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行彈塑性反應(yīng)計(jì)算，然后取其平均值或最大值作為構(gòu)件截面設(shè)計(jì)的依據(jù)