结构抗震设计方法

结构抗震设计原理及方法

1、抗震设防的要求

建筑抗震设计基本准则：“小震不坏，中震可修，大震不倒”三个水准。

第一水准：当遭受低于本地区设防烈度的多遇地震影响时，建筑物一般不受损坏或不需修理仍可继续使用；

第二水准：当遭受相当于本地区设防烈度的地震影响时，建筑物可能损坏，但经过一般修理即可恢复正常使用；

第三水准：当遭受高于本地区设防烈度的罕遇地震影响时，建筑物不致倒塌或发生危及生命安全的严重破坏。

2、抗震设计方法

在进行建筑抗震设计时，原则上应满足上述三水准的抗震设防要求。在具体做法上，我国建筑抗震设计规范采用了简化的两阶段设计方法。

第一阶段设计：按多遇地震烈度对应的地震作用效应和其他荷载效应的组合验算结构构件的承载能力和结构的弹性变形。

第二阶段设计：按罕遇地震烈度对应的地震作用效应验算结构的弹塑性变形。

第一阶段的设计，保证了第一水准的强度要求和变形要求。第二阶段的设计，则旨在保证结构满足第三水准的抗震设防要求，如何保证第二水准的抗震设防要求，尚在研究之中。目前一般认为，良好的抗震构造措施有助于第二水准要求的实现。

3、抗震设计的总体要求

一般说来，建筑抗震设计包括三个层次的内容与要求：概念设计、抗震计算与构造措施。概念设计在总体上把握抗震设计的基本原则；抗震计算为建筑抗震设计提供定量手段；构造措施则可以在保证结构整体性、加强局部薄弱环节等意义上保证抗震计算结果的有效性。抗震设计上述三个层次的内容是一个不可割裂的整体，忽略任何一部分，都可能造成抗震设计的失败。

建筑抗震设计在总体上要求把握的基本原则可以概括为：注意场地选择，把握建筑体型，利用结构延性，设置多道防线，重视非结构因素。

建筑场地的地质条件与地形地貌对建筑物震害有显著影响。这已为大量的震

害实例所证实。从建筑抗震概念设计的角度考察，首先应注意建筑场地的选择。简单地说，地震区的建筑宜选择有利地段、避开不利地段、不在危险地段建设。

建筑物平、立面布置的基本原则是：对称、规则、质量与刚度变化均匀。结构对称有利于减轻结构的地震扭转效应。而形状规则的建筑物，在地震时结构各部分的振动易于协调一致，应力集中现象较少，因而有利于抗震。质量与刚度变化均匀有两方面的含义：其一是在结构平面方向应尽量使结构刚度中心与质量中心相一致，否则，扭转效应将使远离刚度中心的构件产生较严重的震害；其二是沿结构高度方向结构质量与刚度不宜有悬殊的变化，竖向抗侧力构件的截面尺寸和材料强度宜自上而下逐渐减小。

仅利用结构的弹性性能抗御强烈地震是不明智的。正确的做法是同时利用结构弹塑性阶段的性能，通过结构一定限度内的塑性变形来消耗地震时输入结构的能量。

在建筑抗震设计中，有意识地使结构具有多道抗震防线，是抗震概念设计的一个重要组成部分。在建筑抗震设计中，可以利用多种手段实现设置多道防线的目的。例如：采用超静定结构、有目的地设置人工塑性铰、利用框架的填充墙、设置耗能元件或耗能装置等等。但在各种灵活多样的设计手法中应该共同注意的原则是：（1）不同的设防阶段应使结构周期有明显差别，以利避免共振；（2）最后一道防线要具备一定的强度和足够的变形潜力。

非结构因素含义较为宽泛，其中最主要的是非结构构件的处理。非结构构件的存在，会影响主体结构的动力特性（如结构阻尼、结构振动周期等）。同时，一些非结构构件（如玻璃幕墙、吊顶、室内设备等）在地震中往往会先期破坏。因此，在结构抗震概念设计中，应特别注意非结构构件与主体结构之间要有可靠的连接或锚固。同时，对可能对主体结构振动造成影响的非结构构件，如围护墙、隔墙等，应注意分析或估计其对主体结构可能带来的影响，并采取相应的抗震措施。

4、最大地震反应的计算方法

对结构抗震设计最有意义的是结构最大地震反应。下面介绍两种计算多自由度弹性体系最大地震反应的方法，一种是振型分解反应谱法，另一种是底部剪力法。其中前者的理论基础是地震反应分析的振型分解法及地震反应谱概念，而后

者则是振型分解反应谱法的一种简化。

振型分解反应谱法：利用振型分解原理和反应谱理论进行结构最大地震反应计算。采用振型分解反应谱法计算结构最大地震反应精度较高，一般情况下无法采用手算，必须通过计算机计算，且计算量较大。

底部剪力法：一种近似地计算结构地震反应的方法，先计算出作用于结构底部的总水平地震作用，也就是作用于结构底部的剪力，然后将总水平地震作用按照一定的规律再分配到各个质点上。该方法假定①结构的地震反应可用第一振型反应表征；②结构的第一振型为线性倒三角形，即任意质点的第一振型位移与其高度成正比。

结构超过弹性变形极限，进入非弹性变形状态后，结构的刚度发生变化，这时结构弹性状态下的动力特征（自振频率和振型）不再存在。因而基于结构弹性动力特征的振型分解反应谱法或底部剪力法不适用于结构非弹性地震反应分析。

结构非弹性地震反应分析的逐步积分法。采用逐步积分法进行结构非弹性地震反应分析，计算量大，需专门计算程序，且对计算人员的水平要求较高。为便于工程应用，提出了结构非弹性最大地震反应的简化计算方法，适用于不超过12层且层刚度无突变的钢筋混凝土框架结构和填充墙钢筋混凝土框架结构、不超过20层且层刚度无突变的钢框架结构和支撑钢框架结构及单层钢筋混凝土柱厂房。

可将前面介绍的结构抗震计算方法总结如下：

（1）底部剪力法。把地震作用当作等效静力荷载，计算结构最大地震反应。

（2）振型分解反应谱法。利用振型分解原理和反应谱理论进行结构最大地震反应分析。

（3）时程分析法。选用一定的地震波，直接输入到所设计的结构，然后对结构的运动平衡微分方程进行数值积分，求得结构在整个地震时程范围内的地震反应。时程分析法有两种，一种是振型分解法，另一种是逐步积分法。

5、计算方法的选用原则

底部剪力法是一种拟静力法，结构计算量最小，但因忽略了高振型的影响，且对第一振型也作了简化，因此计算精度稍差。振型分解反应谱法是一种拟动力方法，计算量稍大，但计算精度较高，计算误差主要来自振型组合时关于地震动