浅谈建筑结构的抗震设计方法
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摘要：我国处于环太平洋地震带，近年来地震灾害给我国人民的生命财产造成了巨大的损失。我国建筑结构设计中的”小震不坏,中震可修,大震不倒”的三水准抗震设防目标保证了在地震灾害发生时由建筑破坏所造成的损失。本文概述概括现阶段建筑抗震概念设计内容，介绍底部剪力法、振型分解反应谱法时程分析法的主要计算方法和步骤，并提出抗震构造要求，供建筑结构设计人员参考。
关键词：抗震概念设计；底部剪力法；振型分解法；时程分析法；抗震措施
一、建筑抗震概念设计
“建筑抗震概念设计”是对建筑结构总体进行布置并确定各个细部构造的过程，它是根据地震灾害以及工程经验等所形成的基本设计思想和设计原则。地震动是一种随机振动，具有复杂性和不确定性，因此，抗震问题不能完全依赖计算结果。而是应该立足于工程抗震基本理论和长期工程抗震经验总结的工程抗震基本概念来优化设计。
抗震概念设计主要有如下几点：
（一）尽量避开对建筑抗震不利的地段，选择对建筑抗震有利的地段；
（二）建筑的体型尽量做到简单、质量、对称、和刚度变化均匀；
（三）抗震结构体系，必须符合下面的要求：
1.必须具有合理的地震作用传递途径和明确的计算简图；
2.设置多道抗震防线，避免因构件破坏或部分结构而导致整个体系丧失对重力荷载的能力或抗震能力；
3.刚度和强度务必做到合理化，避免因突变或局部削弱形成薄弱部位，产生过大的塑性变形集中或应力集中；对可能出现的薄弱部位，应采取具体提高抗震能力的措施。
（四）抗震结构的各类构件必须具备变形能力和强度；
（五）抗震结构的各类构件之间应注意连接的可靠性；
（六）合理设置非结构构件。概念设计的主要原则是在总体上把握抗震设计，对由于地震作用及结构地震反应的复杂性而造成抗震计算不准确的不足进行弥补。同时还应当明确指出，强调抗震概念设计虽然重要，并不是不重视“数值计算”设计，目的是为抗震计算创造有利条件，使计算得出的分析结果更能准确反映地震时结构反应的实际情况。
二、建筑结构抗震的分析方法
（一）底部剪力法
凡是能看作广义单自由度体系的建筑物，均可用底部剪力法来确定水平地震作用。《建筑抗震设计规范》(GB5001l-2010)规定，对于高度不超过40m、以剪切变形为主，并且质量和刚度沿高度分布比较均匀的结构均可用底部剪力法。
采用底部剪力法来确定结构地震效应的计算步骤是：
（1）可采用经验公式、能量法、顶点位移法等来定结构的基本周期；（2）据场地的基本烈度、近震或远震、场地类别、结构基本周期得出地震影响系数；（3）计算出结构底部截面的水平地震力；（4）按照反应结构变形形状的地震作用倒三角形分布规律或倒三角形加顶部集中力的规律，计算出各屋盖或楼层高度处的水平地震作用；（5）计算结构各杆件截面的地震剪力和弯矩；（6）与相应的静力荷载效应组合，进行结构的抗震强度验算。
（二）振型分解反应谱法
1.振型分解反应谱的基础是单自由度体系反应谱理论，多自由度体系地震反应的计算方法通常采用振型分解原理来解决。它考虑结构的动力特性较全面，除了特别不规则和不均匀的建筑外，都能给出很满意的结果；而且计算过程简单，因而成为当前计算较复杂结构地震反应的常用方法。
振型分解法的计算方法：多质点体系中质点i以几何坐标表示的位移采取以振型在质点i处的幅值为基底的广义坐标来描述，即：（i=1,2,3，…n）
由于这些振型构成了n个独立的位移模式，并可利用振型的正交特性，使以几何坐标描述多自由度体系振动方程组中相互耦联的方程式解耦而各自独立，即分解为n个独立的广义单自由度体系的振动方程，从而可以直接利用单自由度体系地震反应谱，分别计算出相应于各个振型的位移或加速度反应。然后，按照一定的遇合法则，进行振型地震反应的遇合，得多质点系的地震总反应。
2.振型分解反应谱法计算步骤
（1）据结构的动力特性，选择合理的力学模型以及相应的多质点系或多层刚片系计算简图；
（2）立无阻尼多质点体系的自由振动方程，即；
（3）形成多质点系的动力矩阵或，并求解其特征值和特征向量，从而得结构的各阶自振周期和振型（模态分析）；
（4）选取若干个周期，按照建筑物所在地区的基本烈度（近震或远震）和场地类别，查反应谱，得相应于前若干个振型的地震影响系数、、…
（5）计算出前若干个振型的振型参与系数、、…；
（6）分别计算出前若干个振型的体系各质点的地震作用Fji，即；
（7）分别计算出前若干个振型的结构地震变形或内力；
（8）按照一定的法则进行结构振型地震内力或变形的组合，得结构各构件的实际内力或变形。反应谱方法是一种拟静力方法，虽然能够同时考虑结构各频段振动的振幅最大值和频谱两个主要要素，但对于振动持时这一要素未能得到体现，震害调查表明，有些按反应谱理论设计的结构，在未超过设防烈度的地震中，也遭受到了严重的破坏，这充分说明了持时要素在设计中应该被考虑。此外反应谱方法忽略了地震作用的随机性，不能考虑结构在罕遇地震下逐步进入塑性时，因其周期、阻尼、振型等动力特性的改变，而导致结构中的内力重新分布这一现象。
（三）时程分析法
时程分析法分为弹塑性时程分析法和弹性时程分析法，如果在计算过程中刚度矩阵、阻尼矩阵保持不变则称为弹性时程分析法，如果在计算过程中刚度矩阵、阻尼矩阵随结构及其构件所处的变形状态，在不同时刻取不同的数值则称为弹塑性时程分析。时程分析法能在工程结构抗震设计中更加真实地描述结构地震反应，校对补充反应谱分析的误差与不足。在地震反应方程中，地面振动加速度是复杂的随机函数，同时在弹塑性反应中刚度矩阵与阻尼矩阵亦随时间变化，因此不可能求出解析解，只能采取数值分析法求解。常用的数值分析方法有线性加速度法、威尔逊Wilson-θ法、纽马克Newmark-β法等。
三、抗震措施要求
抗震措施主要是指内力调整和抗震构造措施这两个方面。内力调整主要包括强剪弱弯、强柱弱梁、调整底部内力等思路。为保证梁段塑性铰区不发生剪切破坏，需按“强剪弱弯”的设计原则，增大地震作用组合后的剪力设计值。为保证柱不先于梁发生破坏，就要求同一节点处上下端弯矩承载力大于梁两侧弯矩承载力，因此采用增大柱端弯矩设计的方法和梁相似，框架柱也要采用增大剪力设计值。对底层柱底截面，还需采用增大弯矩和剪力的方法，对角柱还应再继续放大。
抗震构造措施包括：最小截面尺寸限制，梁柱墙的最小最大配筋率的限制，梁端柱端箍筋加密区的布置，梁箍筋最小配筋率，核心区的配筋率限值，柱最小体积配筋率。对混凝土柱还应控制轴压比限制等措施保证抗震要求。
此外,近年来国内外隔震减震设计也成为抗震设计的重要研究方向之一。目前较成熟的橡胶垫隔震技术已经积累了丰富的经验。我国的《建筑抗震设计规范》对此也有相关的规定。
结语：建筑结构的抗震设计是一个完整的、系统的概念，不论从场址的选择，还是到建筑物的结构设计，抗震设计始终贯穿了整个过程。抗震设计是衡量建筑物的建筑结构设计是否符合要求的重要指标。因此如何合理准确的运用不同的抗震设计方法，是非常重要的，针对不同的建筑、不同的情况应区别对待，以寻找出最合理的抗震设计，有效地控制地震对社会所带来的巨大经济损失。
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