建筑结构抗震设计及抗震技术

建筑结构抗震设计及抗震技术

钟海斌

恒天（江西）纺织设计院有限公司南昌330096

摘要：中国是一个多地震国家，也是世界上地震灾害最严重的国家之一，地震巨大的危害，给人民生命财产安全带来了极大损失。本文主要阐述建筑结构抗震设计方法及工程防震技术等内容。

关链词：双重抗震结构体系；抗震概念设计；减震隔震

引言

我国地处全球两个最活跃的地震带，东临环太平洋地震带。西部和西南部是欧亚地震带经过的地区。所以我国历史上就是一个多地震的国家。而地震是人类社会面临的一种严重的自然灾害之一，破坏力极强，人民的生命和财产损失也很大。地震专家对历次地震的分析显示，95％以上的人员伤亡是由房屋倒塌造成的，仅有不足5％的人员伤亡是直接由地震及地震引发的水灾、山体滑坡等次生灾害导致的。因此提高房屋的抗震性能对减少地震对人民生命财产安全的损失具有极其重要意义。

1、建筑结构抗震分析方法

建筑结构杭震从弹性到非线性，主要利用主体结构构件屈服后的塑性变形能和滞回耗能来耗散地震能量。在地震往复作用下，结构在振动过程中，如果进入屈服后状态，将通过塑性变性能耗散掉部分地震输给结构的累积能量，从而减小地震反应。结构杭震设计的首要任务就是是对结构最大地震反应的分析

1.1底部剪力法

底部剪力法实际上时振型分解反应谱法的一种简化方法。它适用于高度不超过40m，结构以剪切变形为主且质量和刚度沿高度分布比较均匀的框架结构，此时假设结构的地震反应将以第一振型为主且结构的第一振型为线性倒三角形，通过这两个假设，我们可近似的算出每个平面框架各层的地震水平力之和，即“底部剪力”。此方法简单，可以采用手算的方式进行，但精确度不高。

1.2振型分解反应谱法

振型分解反应谱法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，它的思路是根据振型叠加原理，将多自由度体系化为一系列单自由度体系的叠加，将各种振型对应的地震作用、作用效应以一定方式叠加起来得到结构总的地震作用、作用效应。此法计算精度高，但计算量大，必须通过计算机来计算。

1.3弹性时程分析

弹性时程分析法，也称为弹性动力反应分析。是将建筑物作为弹性或弹塑性振动系统，直接输人地面地震加速度记录，对运动方程直接积分，从而获得计算系统各质点的位移，速度，加速度和结构构件地震剪力的时程变化曲线。而弹性时程分析法就是把建筑物看成是弹性振动系统。

1.4非（线）弹性时程分析

非弹性时程分析法，就是将建筑物作为弹塑性振动系统来输人地面地震加速度记录。上面所提到的基于地震反应谱进行设计的方法，可以求出多遇地震作用下结构的弹性内力和变形，同样可以求得罕遇地震作用下结构的弹塑性变形。但是它不能确切了解建筑物在地震过程中结构的内力与位移随时间的反应；同时也难以确定建筑结构在地震时可能存在的薄弱环节和可能发生的震害；由于计算简化，抗震承载力和变形的安全度也可能是有疑问的。而时程分析法就可以准确而完整的反映结构在强烈地震作用下反应的全过程状况。所以，它是改善结构抗震能力和提高抗震设计水平的一项重要措施。#

1.5非线（弹）性静力分析

非线（弹）性静力分析主要是指推覆方法，它从本质上说是一种静力分析方法，对结构进行静力单调加载下的弹塑性分析。具体地说，在结构分析模型上施加按某种方式模拟地震水平惯性力的侧向力，并逐级单调加大。构件一旦开裂或屈服，修改其刚度；直到结构达到预定的状态（成为机构、位移超限或达到目标位移）。其优点，较底部剪力法和振型分解反应谱法，它考虑了结构的弹塑性特性；较时程分析法。其输人数据简单，工作量较小。

2、抗震技术

2.1双抗震结构体系

双重杭震结构体系由主结构和次结构两个体系组成。主结构具有适当的承载力、刚度和足够的延性，能独立承担荷载并在强震作用下产生足够的塑性变形，以形成合理的屈服机制，其刚度不是很大，地震作用反应较小；次结构是对主结构在不同地震水平作用下的变形和承载力的控制和补充。这种双重结构的特点是：1.破坏集中在次结构或次构件，破坏机制清楚；2.地震输入的能量主要由次结构或次构件耗散；3.即使在次结构或次构件严重损坏后，主结构也能承担一定的荷载；4.在次结构或次构件失效后，由于结构整体刚度降低，地震反应也降低；5.修复工作主要限于恢复次结构的功能，因此造价低。1995年日本神户大地震，一幢25层大楼在严重的破坏中能幸存下来，就是双重杭震结构体系的实例。

2.2结构抗震控制技术

结构振动控制，主要是指结构抵抗地震反应的控制，是预先对结构施加一定的控制措施，抑制结构的动力响应，增强结构的动力稳定性，保证结构的动力响应限定在预定的设计范围内，从而满足结构的安全性、适用性和舒适性的功能要求。研究结构抗震控制技术能有效避免或减轻地震灾害给人类带来的危害。下面分别介绍结构抗震的几种控制手段。

结构抗震的被动控制

被动控制又分为隔震和减震，是考虑地震动的一般特性，为隔离或减少（或消耗）输人结构内的地震能量，事先在结构内某些部位安装经过调整的弹簧、阻尼器等装置，使结构难以发生共振从而减少主体结构地震反应的一种控制方法。

传统的抗震方法是靠结构的延性耗散地震能量，但问题在于结构受到一次强烈地震时，结构构件在利用它的延性和自身变形能力耗散地震能量的同时，构件自身也遭到破坏。为了解决这个问题，在结构上附加各种耗能阻尼器，用以吸收地震能量，减少结构地震反应，这是结构减震设计所采用的有效措施之一。

隔震主要是指在建筑物地面以下部分设置隔震装置，以减弱地震动输人地面以上结构的能量，减少结构振动而采取的一种技术措施。

结构抗震的主动控制

主动控制是指结构受到地震干扰时，通过自动控制系统，瞬间改变结构的刚度、阻尼或质量，或者施加控制力以衰减结构的地震反应以达到减震的目的，包括控制力型和结构性能可变型，后者又分为可变刚度系统和可变刚度、阻尼系统。

主动控制的特点在于采用能检知结构及外干扰的振动传感器，将传感器获得的信号作为控制振动的信号，从外部施加控制力，以便随时减弱结构的地震反应。

主动控制可以使结构地震反应大大降低，且基本上不受强震地面运动的周期特性影响，随着建筑技术的发展，主动控制技术具有极好的发展前景。

结构抗震的半主动控制

目前常用的半主动控制方法有变刚度和变阻尼两种。变刚度半主动控制是根据结构振动反应信息或外干扰信息，改变受控结构的刚度，从而达到减小结构动力反应的目的；变阻尼半主动控制是通过改变结构的阻尼来减小结构的动力反应。现在半主动控制日益受到重视，出现了很多半主动控制装置和控制算法。由于它不象主动控制那样需要那么多复杂的条件，也不象被动控制那样不要结构振动的信息介人而被动的减震，且控制效果好，因而有比较广泛的应用前途，已成为结构控制的前沿课题。目前国内外在这方面的研究虽然已经有了一些成果，但理论仍有待于完善，控制装置有待于尽快在实际工程中推广使用。

3、提高我国建筑结构抗震能力的建议

随着科技日益高速发展，自重轻、跨度大、功能多样、施工周期短成为现代建筑结构的发展方向。因而，研制出轻质高强的新型建筑材料，研究开发合理的结构形式成为各种新型结构体系应运而生的前提和基础。

参考文献：

[1]《建筑抗震设计规范》GB50011-2010

[2]朱炳寅建筑抗震设计规范应用与分析地GB50011-2010[M]中国建筑工业出版社.2011