地震结构响应分析及结构抗震优化设计

王健

山东电力建设第三工程有限公司

摘要：地震作为一种自然现象，是逐渐被人们所认知的。人类在地震灾害中付出了极大的代价，也取得了宝贵的经验。而根本性的预防措施在于合理的结构抗震设计方法。随着社会经济的发展和科学的进步，结构抗震理论得到不断的进步和完善。

关键词：地震作用；响应分析；结构优化
1、地震作用的特点

（1）不确定的、不可预知的作用：地震是在毫无警告的情况下发生的。地球上的任何一个地方都有可能发生地震。地震的随机性，给建筑结构时程分析时选用地震加速度时程带来困难。（2）短时间的动力作用：地震是在短时间内造成巨大灾害的一种自然力量。地震通过地基的摇晃，使建筑结构产生前后、左右、上下的振动，从而使结构产生加速度和惯性力，造成结构破坏甚至倒塌。（3）有选择的破坏作用：地震动是由不同周期的振动组成的，地震动的传播过程非常复杂，但有下列主要规律：短周期的振动衰减快，传播的距离短，长周期的振动衰减慢，传播的距离远；硬土中长周期的振动衰减快，短周期振动的成分多，软土中短周期的振动衰减快，长周期振动的成分多。
2、结构地震响应分析方法

2.1 反应谱理论

反应谱理论其实又分为线性和非线性两种理论。目前结构抗震设计中广泛使用的方法是线性的反应谱理论。我们通常就称之为反应谱理论。[7]该理论的基本原理就是把结构物简化为离散体系，然后按振型分解为多个单自由度体系，用叠加来计算结构的反应（应力、应变）等。

2.2 基于性能/位移抗震设计

基于性能的设计的基本思想是：使所设计的工程结构在预定的使用年限内，在不同强度水平的地震作用下，达到预定的不同的性能目标。这里所指的性能目标具有广泛的含义和内容，涉及结构、设备、装修、人员安全等诸多因素。为了使基于性能的抗震设计能够应用于结构设计，需要选择合适的指标来量化结构的性能。结构的承载力、刚度、累计滞回耗能、变形、损伤等都可以作为性能指标。结构的性能以及地震作用下的结构损伤程度与位移有直接的关系，结构的破损程度总是与截面的变形密切相关，而截面的变形（应变或曲率）又可以转化为位移（构件端部的转动、结构的层间位移和顶点位移），从而可以通过位移来控制结构的损伤程度。基于位移的抗震设计是实现结构性能控制的有效方法。目前，建筑结构基于性能的抗震设计方法主要是通过基于位移的设计方法来实现。基于位移的抗震设计是指，在不同强度水准的地震作用下，以结构的位移响应为目标进行结构及构件设计，是结构达到预定的性能。基于位移的抗震设计大致有三种思路和方法：直接基于位移的方法，控制延性的方法和能力谱法。直接基于位移的基本思路为：对于多自由度体系，假定一个合理的位移模式，将多自由度体系转化为等效单自由度体系，确定其等效质量和等效刚度；根据等效阻尼比与延性的关系，确定等效单自由度体系的等效阻尼比；建立不同阻尼比的位移反应谱；根据等效阻尼比，计算等效单自由度体系的目标位移和水平地震力，由此计算多自由度体系的目标位移，基底剪力和水平地震力，计算原结构水平地震作用效应，进行结构设计；将结构的目标位移转化为各构件的变形要求，对构件关键部位配置约束箍筋，使其具有相应的变形能力。
3、结构抗震优化设计

现举一工程实例，分别对优化前和优化后的结构进行设计，对两种结构抗震响应进行比较，并对两种结构的混凝土及构件含量进行对比分析。某一四层厂房，框架结构，平面尺寸：长x宽=24x12，柱距两个方向均为6米，层高3.6米，建设地点：上海，抗震设防烈度：7度，设计分组：第一组，特征周期：0.9，场地土类别：Ⅳ类，框架抗震等级：三级，基本风压：0.55KN/M2，地面粗糙度：B类，荷载取值：楼面恒荷载（包括100板厚）：4.0KN/M2，屋面恒荷载（包括120板厚）：7.5KN/M2，楼面活荷载：5.0KN/M2，屋面活荷载：2.0KN/M2。在相同荷载、相同设计条件下，以下为优化前与优化后的梁、柱施工图，为便于比较，现均取二层结构平面布置，梁柱混凝土等级均为C30，梁柱主筋级别均为Ⅲ级钢，箍筋均为Ⅱ级钢。

优化前与优化后的结构布置有以下几点不同：（1）优化前的次梁布置沿垂直方向，优化后沿水平方向。（2）优化前的柱截面边跨与中跨均为同一截面，而且沿主轴两个方向的截面均相同；优化后的柱截面根据受力不同，受荷面积不同，在边跨与中跨的截面大小取值不同，而且，优化后根据两个主轴方向建筑物长度不同，柱截面在两个主轴方向的长度也不相同，在长方向取小值，在短方向取大值。（3）优化前的框架梁均取250x650，次梁均取250x600；优化后框架梁根据受力不同，受荷面积不同，在边跨取250x600，在中间跨取250x650，次梁统一减小为200x500。

由分析得出：（1）优化前和优化后的地震结构响应均能满足规范及使用要求。（2）优化前由于梁柱截面取值均较大，所以地震结构响应（包括周期、位移等）均大大小于规范要求，虽然能满足安全使用的要求，但造成了材料及造价上的极大浪费。（3）优化前柱截面不管边跨与中跨、建筑物长向与短向均取统一截面，虽然各项指标能满足规范要求，但扭转周期/平动周期（T3/T1）达到0.894，接近0.9，而优化后充分柱截面考虑了受荷面积大小不同，和结构长向与短向地震结构响应不同，采取不同的截面变化，使扭转周期/平动周期为0.841，远小于优化前，表明优化后虽然混凝土含量及钢筋含量均有所减少，但结构在地震作用下的扭转效应大大改善，使结构布置更趋合理，在地震作用下的抗震性能反而优于优化前。

结语：我们要充分理解建筑的地震结构响应，合理进行结构布置，深入地进行抗震优化设计，这样不仅能大大节约工程造价，避免不必要的浪费，而且能使建筑物的抗震性能更加趋于合理，使建筑物在地震作用下能发挥更大的作用。
参考文献：

[1]张瑛.建筑结构抗震优化设计研究[J].百科论坛电子杂志,2018,000(020):57.

[2]翟崇博.高层建筑结构抗震的优化设计研究[J].建材发展导向,2018,016(011):69-69.

[3]皮丹.评价高层建筑结构抗震优化设计[J].城市建筑,2020,v.17;No.344(03):177-178.