結(jié)構(gòu)水平地震作用計(jì)算方法的探討

張 永 春

(國(guó)策眾合(北京)建筑工程設(shè)計(jì)有限公司山西分公司，山西 太原 030001)

?

結(jié)構(gòu)水平地震作用計(jì)算方法的探討

張 永 春

(國(guó)策眾合(北京)建筑工程設(shè)計(jì)有限公司山西分公司，山西 太原 030001)

介紹了我國(guó)現(xiàn)階段結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)的基本要求，從底部剪力法、振型分解反應(yīng)譜法、彈性時(shí)程分析法等方面，闡述了多遇地震時(shí)水平地震作用的計(jì)算方法，為建筑結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)提供了依據(jù)。

抗震設(shè)計(jì)，底部剪力法，彈性時(shí)程方法，PKPM，YJK

我國(guó)現(xiàn)階段抗震設(shè)防的“三水準(zhǔn)設(shè)防目標(biāo)”和為實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)所采取的“兩階段設(shè)計(jì)步驟”是結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)的基本要求。

三水準(zhǔn)設(shè)防目標(biāo)的通俗說法為：小震不壞、基本地震(設(shè)防烈度地震)可修、大震不倒。第一階段設(shè)計(jì)：承載力驗(yàn)算，是每個(gè)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)都需要進(jìn)行的。

多遇地震作用下的內(nèi)力和變形分析是對(duì)結(jié)構(gòu)反應(yīng)、截面承載力驗(yàn)算和變形驗(yàn)算最基本的要求，建筑結(jié)構(gòu)應(yīng)進(jìn)行多遇地震作用下的內(nèi)力和變形分析，而水平地震作用計(jì)算是結(jié)構(gòu)抗震計(jì)算的重要組成部分，是結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)計(jì)算的基礎(chǔ)。多遇地震時(shí)的水平地震作用的計(jì)算方法有底部剪力法、振型分解反應(yīng)譜法、彈性時(shí)程分析法。

底部剪力法視多質(zhì)點(diǎn)體系為等效單質(zhì)點(diǎn)系，存在多質(zhì)點(diǎn)系底部剪力值與對(duì)應(yīng)單質(zhì)點(diǎn)系(質(zhì)量等于多質(zhì)點(diǎn)系總質(zhì)量，周期等于多質(zhì)點(diǎn)系基本周期)剪力值的差異，且在周期較長(zhǎng)時(shí)頂部地震作用的誤差可達(dá)25%，因此，盡管底部剪力法簡(jiǎn)單易行，但它的應(yīng)用范圍非常有限，它只是一種簡(jiǎn)化方法，所以規(guī)范規(guī)定：只有高度不超過40 m，以剪切變形為主且質(zhì)量和剛度沿高度分布比較均勻的結(jié)構(gòu)可采用底部剪力法進(jìn)行地震作用的計(jì)算。事實(shí)上，隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，尤其是城市建設(shè)的快速發(fā)展，各種造型、多種用途的建筑物不斷涌現(xiàn)，人們對(duì)于建筑物的要求不再是基本的保障的需求，而是更高的品質(zhì)的追求。與這種發(fā)展相適應(yīng)，尤其是隨著電子計(jì)算程序的普遍應(yīng)用，作為抗震設(shè)計(jì)計(jì)算基礎(chǔ)的底部剪力法，在實(shí)際工程中已不被廣泛應(yīng)用，但理解底部剪力法的基本原理，仍作為概念設(shè)計(jì)的重要內(nèi)容。

彈性時(shí)程方法的關(guān)鍵是選波要“靠譜”，由于實(shí)際地震記錄還不很豐富，不同地震波輸入進(jìn)行時(shí)程分析的計(jì)算結(jié)果也不同且差異較大，因此，彈性時(shí)程方法在目前情況下還不能完全依靠有限的實(shí)際地震記錄來準(zhǔn)確進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析，而是針對(duì)特別不規(guī)則的建筑、甲類建筑和GB 50011—2010建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范表5.1.2-1所列高度范圍的高層建筑的多遇地震下的補(bǔ)充計(jì)算，即時(shí)程分析法和振型分解反應(yīng)譜法的包絡(luò)設(shè)計(jì)。

振型分解反應(yīng)譜法是將一個(gè)多自由度體系的結(jié)構(gòu)分解成若干個(gè)相當(dāng)于各自振周期的單自由度體系結(jié)構(gòu)，采用反應(yīng)譜求各振型的反應(yīng)，即求得結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)，然后用振型組合法求出多自由度體系的地震反應(yīng)。所以，振型分解反應(yīng)譜法更符合實(shí)際情況。隨著計(jì)算機(jī)的高度普及和發(fā)展，振型分解反應(yīng)譜法正在被廣泛應(yīng)用。

與計(jì)算方法相適應(yīng)的是，一批結(jié)構(gòu)計(jì)算和設(shè)計(jì)的專業(yè)軟件應(yīng)運(yùn)而生，如中國(guó)建筑科學(xué)研究院的PKPM建筑工程設(shè)計(jì)軟件、北京盈建科軟件有限責(zé)任公司的YJK建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算軟件等，這些專業(yè)軟件的產(chǎn)生和應(yīng)用，減輕了工程設(shè)計(jì)人員的工作量，提高了工作效率的同時(shí)，又極大地推動(dòng)了工程設(shè)計(jì)人員對(duì)相關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)范更深刻的理解和執(zhí)行，因此，專業(yè)軟件的產(chǎn)生無疑是建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)領(lǐng)域一個(gè)質(zhì)的飛躍和里程碑。作為一名結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工程師，不會(huì)熟練地運(yùn)用專業(yè)軟件，想要高效并保質(zhì)保量地完成一個(gè)設(shè)計(jì)任務(wù)幾乎是不可能的。如今的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)行業(yè)，大家還有一個(gè)共識(shí)就是：熟練掌握并應(yīng)用軟件固然重要，但卻決不能被軟件左右，或者說不能過分依賴軟件。本人從事結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作近十年，見證了PKPM軟件的誕生與成長(zhǎng)，是PKPM早期且長(zhǎng)期的用戶，利用PKPM，我圓滿完成了許多大大小小的設(shè)計(jì)任務(wù)。近幾年，隨著后起之秀YJK的迅猛發(fā)展，我們的工作平臺(tái)更加多元和完善，如我們的設(shè)計(jì)不再僅依據(jù)PKPM一家的計(jì)算結(jié)果，對(duì)于比較復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，我們可以給出PKPM，YJK各自的計(jì)算結(jié)果，然后對(duì)兩個(gè)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比、分析，從而保證使每一個(gè)工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)更加的合理、更加的安全和經(jīng)濟(jì)。

采用不同的計(jì)算程序，其計(jì)算結(jié)果也會(huì)不相同，對(duì)此，以下的實(shí)例可以說明：

某一門診綜合樓，標(biāo)準(zhǔn)層結(jié)構(gòu)平面見圖1，平面尺寸為長(zhǎng)×寬=58.2 m×15.45 m，地下1層，地上10層，室內(nèi)外高差0.60 m。結(jié)構(gòu)總高度41.40 m。結(jié)構(gòu)形式為現(xiàn)澆鋼筋混凝土框架—剪力墻結(jié)構(gòu)；基礎(chǔ)為現(xiàn)澆鋼筋混凝土梁板式筏型基礎(chǔ)；該建筑物安全等級(jí)為二級(jí)。建筑場(chǎng)地類別為Ⅲ類。本工程按抗震設(shè)防分類標(biāo)準(zhǔn)屬重點(diǎn)設(shè)防類(乙類)建筑，抗震設(shè)防烈度為8度，設(shè)計(jì)基本地震加速度值為0.20g，第一組；本工程抗震措施按8度設(shè)計(jì)和施工?？蚣芸拐鸬燃?jí)一級(jí)，剪力墻抗震等級(jí)一級(jí)，框架和剪力墻的抗震構(gòu)造措施：框架一級(jí)，剪力墻一級(jí)。

標(biāo)準(zhǔn)層結(jié)構(gòu)平面見圖1。

GB 50011—2010建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范的5.2.2條的條文說明及JGJ 3—2010高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程的5.1.13條均明確規(guī)定：計(jì)算振型數(shù)應(yīng)使各振型參與質(zhì)量之和不小于總質(zhì)量的90%。本工程用PKPM和YJK分別進(jìn)行了計(jì)算，結(jié)果是PKPM用18個(gè)振型數(shù)即滿足要求，而YJK卻需要30個(gè)振型。具體結(jié)果如下：

1)計(jì)算振型數(shù)為18時(shí)：

PKPM結(jié)果：X方向的有效質(zhì)量系數(shù)：98.34%；Y方向的有效質(zhì)量系數(shù)：96.26%；X向地震作用下結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)力：Fx=489.82 kN;Y向地震作用下結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)力：Fy=413.21 kN。YJK結(jié)果：X方向的有效質(zhì)量系數(shù)：89.61%；Y方向的有效質(zhì)量系數(shù)：87.95%；X向地震作用下結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)力：Fx=473.79 kN;Y向地震作用下結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)力：Fy=405.49 kN。

2)計(jì)算振型數(shù)為30時(shí)：

PKPM結(jié)果：X方向的有效質(zhì)量系數(shù)：99.88%；Y方向的有效質(zhì)量系數(shù)：99.30%；X向地震作用下結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)力：Fx=723.13 kN;Y向地震作用下結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)力：Fy=540.18 kN。YJK結(jié)果：X方向的有效質(zhì)量系數(shù)：96.37%；Y方向的有效質(zhì)量系數(shù)：93.30%；X向地震作用下結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)力：Fx=704.81 kN;Y向地震作用下結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)力：Fy=521.64 kN。

由以上結(jié)果可看出，當(dāng)僅使用PKPM一個(gè)軟件時(shí)，雖然有效質(zhì)量系數(shù)滿足了要求，但結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)力有可能偏小，如果不進(jìn)行YJK的計(jì)算，這個(gè)問題就不會(huì)被發(fā)現(xiàn)。所以，作為一個(gè)建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的工程師，面對(duì)具體的工程時(shí)必須做到多思考、多計(jì)算、多分析，這樣才能做到心中有數(shù)，從而杜絕設(shè)計(jì)質(zhì)量問題的發(fā)生。

[1] GB 50011—2010,建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范應(yīng)用與分析[S].

[2] JGJ 3—2010,高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程應(yīng)用與分析[S].

On calculation methods for horizontal earthquakes

Zhang Yongchun

(ShanxiBranch,Guocezhonghe(Beijing)ArchitecturalEngineeringDesignCo.,Ltd,Taiyuan030001,China)

The paper introduces the basic requirement for the seismic design in China, and illustrates the calculation methods of the horizontal earthquake in frequent earthquakes from the bottom shear method, vibration disintegration response spectrum method, and elastic time-history analysis, so as to provide some reference for seismic design of the architectural structures.

seismic design, bottom shear method, elastic time-history method, PKPM, YJK

1009-6825(2017)09-0049-02

2017-01-15

張永春(1985- )，女，工程師

TU352

A