建筑結(jié)構(gòu)地震作用計算方法及地震設(shè)計參數(shù)的選取

建筑結(jié)構(gòu)地震作用計算方法及地震設(shè)計參數(shù)的選取摘要：建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計在整個結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中至關(guān)重要、貫穿始終。本文結(jié)合現(xiàn)行規(guī)范對設(shè)計過程中常用的抗震設(shè)計方法（如振型分解反應(yīng)譜法、時程分析法等）進(jìn)行分類、總結(jié)，并對重要的、易混淆難理解的抗震參數(shù)（如偶然偏心、雙向地震等）加以區(qū)分，方便結(jié)構(gòu)設(shè)計時合理的選取。

關(guān)鍵詞：地震作用計算；振型分解反應(yīng)譜法；偶然偏心；雙向地震

《建筑抗震設(shè)計規(guī)范GB50011》（以下簡稱《抗規(guī)》）規(guī)定：6度時不規(guī)則建筑、建造于Ⅳ類場地上較高的高層建筑以及7，8，9度的多層建筑均需進(jìn)行地震作用計算?！陡邔咏ㄖ炷两Y(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程（JGJ3）》（以下簡稱《高規(guī)》）規(guī)定：各抗震設(shè)防類別的高層建筑均需進(jìn)行地震作用計算。可以說除規(guī)則的6度區(qū)多層建筑外，均應(yīng)進(jìn)行地震作用計算。由于抗震計算軟件基本能完成這部分的計算，但在實際項目中，我們應(yīng)該弄清楚不同結(jié)構(gòu)對應(yīng)的抗震計算方法以及相應(yīng)的計算參數(shù)的選取，這樣才能正確高效的完成結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計。本文結(jié)合現(xiàn)行規(guī)范對設(shè)計過程中常用的抗震設(shè)計方法進(jìn)行分類、總結(jié)，并對重要的抗震設(shè)計參數(shù)加以區(qū)分，方便設(shè)計時合理應(yīng)用。

一、地震作用計算方法

1、底部剪力法

《抗規(guī)》《高規(guī)》中均已明確：高度不超40m、以及剪切變形為主且質(zhì)量和剛度沿高度分布比較均勻的結(jié)構(gòu)，以及近似于單質(zhì)點體系的結(jié)構(gòu)，可采用底部剪力法等簡化方法計算地震作用。

底部剪力法為簡化的計算方法，它與振型分解反應(yīng)譜法均屬于反應(yīng)譜法范疇，此方法主要適用于手算或單層廠房等單質(zhì)點體系的計算，目前多高層結(jié)構(gòu)軟件計算均不采用，而使用更為準(zhǔn)確的振型分解反應(yīng)譜法。

2、振型分解反應(yīng)譜法

除了需要時程分析法進(jìn)行設(shè)防地震（中震）、罕遇（大震）計算的建筑結(jié)構(gòu)外,此方法為大部分多高層在多遇地震作用下進(jìn)行地震作用計算的主流計算方法，是目前結(jié)構(gòu)計算軟件普遍采用的方法，主要應(yīng)用于多遇地震（小震）的計算。其計算效率高，結(jié)果相對準(zhǔn)確，設(shè)計過程中便于調(diào)整、對比、分析。

規(guī)范也同時規(guī)定了振型分解法是根據(jù)結(jié)構(gòu)體型規(guī)則性分為兩種不同的計算方法：采用不進(jìn)行扭轉(zhuǎn)耦聯(lián)計算的SRSS（平方和的平方根）法以及進(jìn)行扭轉(zhuǎn)耦聯(lián)計算的CQC（完全方根）法。根據(jù)《抗規(guī)》及《高規(guī)》中強(qiáng)制條文要求：質(zhì)量、剛度均勻?qū)ΨQ的結(jié)構(gòu)（可采用位移比≤1.2判斷）在相鄰振型周期比小于0.85時可采用SRSS方法計算，但使用此方法時對多層建筑應(yīng)考慮《抗規(guī)》5.2.3.1條的邊榀放大系數(shù)，對高層建筑應(yīng)考慮《高規(guī)》4.3.3條的偶然偏心影響;其余情況均采用CQC法，但要注意區(qū)分高層建筑要考慮偶然偏心，而多層建筑不考慮,詳見表1。

模型計算輸入計算參數(shù)時，以PKPM為例：

“考慮偶然偏心”選項：多層結(jié)構(gòu)僅計算位移比時勾選，計算配筋時不勾選；高層結(jié)構(gòu)不論計算位移比還是計算配筋均勾選。

“考慮雙向地震作用”選項：不論多高層建筑，先不勾選，如果計算結(jié)果位移比>1.2則勾選，否則不勾選。

3、時程分析法

《抗規(guī)》要求：對于特別不規(guī)則建筑、甲類建筑和表5.1.2-1所列高度范圍的高層建筑，應(yīng)采用時程分析法進(jìn)行多遇地震的充計算，但其基本方法仍是底部剪力法和振型分解反應(yīng)譜法?！陡咭?guī)》中需進(jìn)行補(bǔ)充計算的除《抗規(guī)》中要求外，還包括：豎向不規(guī)則建筑（不滿足3.5.2～3.5.6條規(guī)定）、復(fù)雜高層建筑結(jié)構(gòu)、存在頂層空曠房間時、B級高度高層建筑結(jié)構(gòu)、混合結(jié)構(gòu)。

設(shè)計過程應(yīng)注意：此補(bǔ)充計算即對計算結(jié)果的底部剪力、樓層剪力和位移進(jìn)行比較，當(dāng)時程分析法大于振型分解反應(yīng)譜法時，求出其增大系數(shù)η，不滿足的相關(guān)部位的構(gòu)件內(nèi)力乘以此增大系數(shù)η，并以此放大后的樓層樓層剪力計算結(jié)果進(jìn)行配筋、施工圖設(shè)計。但模型的整體參數(shù)如位移比、剪重比、層間位移角等均可保持不變。

超限高層結(jié)構(gòu)在進(jìn)行抗震性能化設(shè)計以及計算罕遇地震的下結(jié)構(gòu)的彈塑性變形時也需要采用時程分析法，這種情況時程分析法即作為中震、大震時的主要計算和分析，目前結(jié)構(gòu)計算軟件SUSAGE、EPDA、ABAQUS等均可以計算，單因其計算工作量大耗費(fèi)時間較長，只有少量項目才涉及。

無論進(jìn)行補(bǔ)充計算，還是進(jìn)行中震、大震的彈塑性分析，軟件計算時應(yīng)注意地震波的選取，確保實際地震記錄和人工模擬的加速度時程曲線比例及時程曲線計算所得的結(jié)構(gòu)底部剪力等指標(biāo)足規(guī)范相應(yīng)要求。

二、地震設(shè)計參數(shù)

1、規(guī)定（給定）水平力

《高規(guī)》3.4.5條文說明里給出其定義：一般指在多遇地震作用下通過振型組合后求得的樓層剪力并換算出的水平力，換算原則：每一個樓面處的水平作用力取該樓面上、下兩個樓層的地震剪力差的絕對值(見圖1)。

所謂振型組合即本文前面所提到的SRSS和CQC組合，規(guī)定水平力是一種人為規(guī)定的假象的水平力，其主要用途為：1.計算結(jié)果的扭轉(zhuǎn)位移比；2.計算框架-剪力墻的底部傾覆力矩，判斷抗震等級；3.計算短枝剪力墻的底部傾覆力矩，判斷是否具有較多短肢剪力墻的結(jié)構(gòu)。

2、偶然偏心

偶然偏心類似于混凝土構(gòu)件計算大偏心受壓構(gòu)件的初始偏心距。其偏心距的取值為0.05L（L為垂直于地震作用方向的建筑物總長度），它是考慮地震作用扭轉(zhuǎn)效應(yīng)的一種方法。

偶然偏心的主要用途：1.多高層建筑結(jié)構(gòu)進(jìn)行扭轉(zhuǎn)位移比的判別時；2.高層建筑結(jié)構(gòu)進(jìn)行單向地震作用（包括各振型地震作用）的計算時。

可以理解為：除扭轉(zhuǎn)位移比等整體計算參數(shù)外，它是高層建筑地震作用考慮扭轉(zhuǎn)效應(yīng)的一種特殊計算方法。如果某個高層結(jié)構(gòu)平面尺寸很長，則在附加偶然偏心的影響下，其地震作用扭轉(zhuǎn)效應(yīng)更為明顯，在實際項目中應(yīng)盡量避免。

剛性樓板假定、位移比、周期比

《抗規(guī)》3.4.3條文指出：對于結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)不規(guī)則(即位移比)，按剛性樓蓋計算；而《高規(guī)》中用來控制結(jié)構(gòu)的整體扭轉(zhuǎn)剛度的周期比也是宏觀控制指標(biāo)，計算時應(yīng)忽略局部振動影響。因此采用結(jié)構(gòu)軟件計算周期比、位移比時應(yīng)采用剛性樓板假定，目的是忽略了局部位置樓板變形的影響，滿足規(guī)范設(shè)計意圖。但計算結(jié)構(gòu)內(nèi)力、配筋、位移時不應(yīng)采用剛性樓板假定。這里應(yīng)注意：根據(jù)《抗規(guī)》條文說明3.4.1表1的要求，多層結(jié)構(gòu)周期比也應(yīng)進(jìn)行控制。

綜上所述,在軟件計算的結(jié)果參數(shù)里，要根據(jù)規(guī)范正確選擇判斷，避免錯誤，本人根據(jù)規(guī)范要求對程序輸出的各項結(jié)果選取做了如下總結(jié)，詳見表2。

結(jié)語

本文針對地震作用方法、使用前提條件及地震計算參數(shù)的選取做了歸納總結(jié)，便于結(jié)構(gòu)建模計算使用。由于具體項目的的復(fù)雜性和特殊性，應(yīng)結(jié)合規(guī)范條文弄清其概念性本質(zhì)原理，而不是死扣規(guī)范條文數(shù)據(jù)，生搬硬套，這樣才能做出合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計。

參考文獻(xiàn)：

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[3]《PKPM多高層結(jié)構(gòu)計算軟件應(yīng)