不規則建筑結構地震反應分析與性能評估的研究

摘要：歷次地震的震害經驗表明，建筑結構的平面規則性對結構的抗震性能有重要影響。因此，對不規則建筑結構設計的抗震性能我們應該提出更高的要求。
關鍵詞：不規則建筑結構；扭轉變形；動力彈塑性時程分析；抗震設計

        0  引言
        隨著社會的發展與 進步，人們對建筑功能和建筑美學的要求不斷提高，我國出現了越來越多型體復雜、結構不對稱的建筑，而且不規則建筑結構已經逐漸成為建筑發展的新趨勢。近年 來，我國歷經了多次地震的重創，歷次地震的震害經驗表明，建筑結構的平面規則性對結構的抗震性能有重要影響。平面較規則的結構在地震作用下扭轉反應較小， 損傷較輕；而不規則、不連續的結構平面布置所產生的扭轉效應導致的結構破壞是相當嚴重的。因此，對不規則建筑結構設計的抗震性能我們應該提出更高的要求。
        1  結構產生扭轉反應的原因及判定
        1.1 結構本身不規則  結構本身的不規則包括三個方面：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，本來是規則對稱的結構，也會出現隨變形形態而變化的扭轉效應。例如， 結構某一角柱進入彈塑性狀態，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發生了變化，導致剛度不對稱，使結構 產生扭轉反應。[1]
        1.2 扭轉不規則的判定  建筑結構的平面不規則性大致可以分為三種：一是平面形狀不規則，也稱為凹凸 不規則；二是樓板局部不連續，連接較弱；三是抗側力體系布置引起的扭轉不規則。國內外的建筑規范都是從不規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，對結構的不規則性給出了判別的準則。在這三種不規則性中，平面形狀不規則和樓板局部不連續的判別比較直觀。而扭轉不規則，是結構平面不規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，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  我國不規則結構的抗震設計方法
        針 對不規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。我國現行規范采用扭轉耦聯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。[2]
     3  不規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范中地震作用計算的理論基礎。此外，由于反應譜是根據國內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，從統計理論角度能較確切地給出結構在其使用期內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點。[3]
        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；②地震動的三要素是振幅、頻譜和持續時間，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時間對結構破壞程度的重要影響；③反應譜是根據彈性結構地震反應繪制的，只能籠 統地給出結構進入彈塑性狀態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力和變形狀態，因 而也就無法找出結構的薄弱環節。[4]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，即彈塑性位移和內力值相差數倍甚至十幾倍之多。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。
參考文獻：
[1]高振世．建筑結構抗震設計[M]．北京：中國建筑工業出版社，2009：23-24.
[2]李國強．地震工程學導論[M]．北京：地震出版社，2008：34-35.
[3]戴君武.偏心結構扭轉振動研究中幾個基本參量的討論[J]．地震工程與工程振動，2008，22（6）：38-43.
[4]李宏男．結構多維抗震理論[M]．北京：科學出版社，2008：21-28.