不规则建筑结构地震反应分析

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　历次地震的震害经验表明，建筑结构的平面规则性对结构的抗震性能有重要影响。因此，对不规则建筑结构设计的抗震性能我们应该提出更高的要求。

　　0 引言

　　随着社会的发展与进步，人们对建筑功能和建筑美学的要求不断提高，我国出现了越来越多型体复杂、结构不对称的建筑，而且不规则建筑结构已经逐渐成为建筑发展的新趋势。近年来，我国历经了多次地震的重创，历次地震的震害经验表明，建筑结构的平面规则性对结构的抗震性能有重要影响。平面较规则的结构在地震作用下扭转反应较小，损伤较轻；而不规则、不连续的结构平面布置所产生的扭转效应导致的结构破坏是相当严重的。因此，对不规则建筑结构设计的抗震性能我们应该提出更高的要求。

　　1 结构产生扭转反应的原因及判定

　　1.1结构本身不规则结构本身的不规则包括三个方面：第一是楼层质心的偏移，这是由于质量分布的随机性造成的，主要表现在结构自重和荷载的实际分布变化，质量中心与结构的几何中心不重合，存在一定程度的偏离；第二，由于施工工艺和条件的限制、构件尺寸控制的误差、结构材料性质的变异性、构件受荷历程的不同、构件实际的边界条件与设想的差别等因素，使刚度存在不确定性，造成的刚度中心偏移；第三是结构刚度退化的不均匀，当结构进入弹塑性阶段时，本来是规则对称的结构，也会出现随变形形态而变化的扭转效应。例如，结构某一角柱进入弹塑性状态，它的刚度较弹性阶段时小，而其他的角柱可能仍处于弹性阶段，这时，刚度分布在结构平面内发生了变化，导致刚度不对称，使结构产生扭转反应。

　　1.2扭转不规则的判定建筑结构的平面不规则性大致可以分为三种：一是平面形状不规则，也称为凹凸不规则；二是楼板局部不连续，连接较弱；三是抗侧力体系布置引起的扭转不规则。国内外的建筑规范都是从不规则结构的震害实际调查着手，考虑地震作用的不确定性和地震效应计算的不完整性，对结构的不规则性给出了判别的准则。在这三种不规则性中，平面形状不规则和楼板局部不连续的判别比较直观。而扭转不规则，是结构平面不规则最重要的控制指标，需要进行分析计算来判别。

　　1.3判定指标--位移比值由不规则结构的地震反应特征入手，通过分析质量和刚度平面分布，确定结构反应，计算扭转变形与侧向变形的相对大小，通过扭转位移比值来判别结构的不规则性。如果结构扭转变形太大，会造成边缘构件变形过大，进而过早的进入破坏状态，造成局部倒塌继而可能引起整体结构倒塌，这样的破坏机制难以实现整体结构的延性，对结构抗震十分不利。因此，控制扭转位移比值是需要我们高度重视的工作之一。

　　2 我国不规则结构的抗震设计方法

　　针对不规则结构进行抗震设计主要有地震反应分析方法和构造措施两个方面。我国现行规范采用扭转耦联振型分解反应谱法时，考虑了结构的实际偏心，但没有考虑结构的偶然偏心；只有在计算地震扭转作用时考虑结构的偶然偏心。我国通常采用的抗震设计方法有：①等效静力法；②振型分解反应谱法。

　　在采用振型分解反应谱方法计算地震作用效应时，对于单向水平地震效应组合方法，我国新建筑规范中增加了考虑两个主轴方向同时施加地震作用，以及双向水平地震作用效应的组合，即取一个方向100％的值与另一个方向85％的值的“平方和平方根组合”。由此可见，我国对建筑结构抗震性能提出了越来越高的要求。

　　3 不规则结构的地震反应分析与评估

　　3.1振型分解反应谱法分析振型分解反应谱法是利用单自由度体系反应谱和振型分解原理，解决多自由度体系地震反应的计算方法，它考虑了结构动力特性与地震动力特性之间的关系，通过反应谱来计算由结构动力特性所产生的动力反应。反应谱曲线是以周期为横轴，反应为纵轴的反应周期关系曲线。

　　3.2振型分解反应谱法优点振型分解反应谱法考虑了地震强度和结构物的动力特性，以及建筑场地和震中距的影响。早在五十年代反应谱法就广泛地为各国建筑规范所采用，而且至今仍然是我国和世界上许多国家结构抗震设计规范中地震作用计算的理论基础。此外，由于反应谱是根据国内外大量地震记录计算出的单质点系最大地震反应而绘制出的，从统计理论角度能较确切地给出结构在其使用期内遭遇地震的最大反应，相对在定量上较为可靠，这正是反应谱法的突出优点。

　　3.3振型分解反应谱法评估虽然反应谱法有着理论成熟、计算简单的优点。然而，由于其实质上的局限性，反应谱法有如下不足之处：

　　①反应谱虽然考虑了结构动力特性所产生的共振效应，但在设计中仍然把地震惯性力按照静力来对待，所以反应谱理论只是一种准动力理论；

　　②地震动的三要素是振幅、频谱和持续时间，在制作反应谱过程中只考虑了地震动的前两个要素--振幅和频谱，未能反映地震动持续时间对结构破坏程度的重要影响；

　　③反应谱是根据弹性结构地震反应绘制的，只能笼统地给出结构进入弹塑性状态的结构整体最大地震反应，不能给出结构地震反应的全过程，更不能给出地震过程中各构件进入弹塑性变形阶段的内力和变形状态，因而也就无法找出结构的薄弱环节。因此，如何弥补振型分解反应谱法的不足，是我们在未来工作中需要研究、探讨和解决的关键问题。

　　4 结语

　　由于地震作用的不确定性，以往大量的计算结果表明，结构对不同地震波的反应差别很大，致使计算结果，即弹塑性位移和内力值相差数倍甚至十几倍之多。为充分估计结构在未来地震作用下的最大反应，以确保结构的安全，采用振型分解反应谱法对高层建筑进行抗震设计时，有必要选取四条典型的具有不同特性的实际强震记录或人工地震波作为设计用地震波，分别对结构进行弹塑性反应计算，然后取其平均值或最大值作为构件截面设计的依据