結構動力學在建筑結構中的抗震分析

摘要：地震給建筑物帶來的損害是巨大的，由此抗震設計成為了結構設計過程中最為重要的環節。進行結構的抗震設計，系統地、全面地、正確地理解結構的振動特性是極為必要的。本文結合結構動力學相關理論，分析了地震對建筑結構的破換機理，并對結構減震和隔振方法進行了研究，旨在為我國建筑抗震結構設計提供幫助。

關鍵詞：結構動力學；建筑結構設計；抗震分析

前言

地震給人民的人身安全和財產安全帶來了極大的威脅，最大限度地限制和減輕建筑結構物的地震破壞成為了人們不斷研究的課題。通過工程實踐發現，結構的地震反應取決于地震動輸入的特性和結構的特性，特別是結構的動力特性。隨著人們對地震動特性和結構動力特性的了解越來越多，對震害現象的觀察越來越深入，以及技術手段越來越先進，結構抗震分析方法也跟著有了很大的發展。從某種意義上來說，結構抗震分析方法是結構動力學理論在地震工程研究領域里的一種延伸、拓展和應用的結果，所以可以說結構動力學是建筑結構抗震分析方法的基礎。

1.結構動力學概述

結構動力學是研究動態作用下結構或構件的強度、剛度和穩定性的一門學科。所謂動態作用，是指對結構或構件產生不可忽略的加速度的作用，如突加荷載、吊車荷載、設備振動、地震等。

在結構動力計算中，通常采用靜力彈性模量作為動力彈性模量。基于這一原則，計算鋼、木結構的剛度就與靜力問題完全相同了。至于計算鋼筋混凝土構件的動力剛度時，一般可認為整個截面參加工作。由于其受拉與受壓的彈性模量相近，一般采用受壓彈性模量。當正反向的剛度不同時，可近似地取平均值。確定實際建筑物的剛度比較復雜，因為它不僅取決于主體結構，而且還與各種非承重構件有關，特別是內外墻的影響很大。而這些非承重構件的構造、連接及受力性能往往是不大明確的，因而建筑物的動力剛度很難用計算方法求出。目前比較切實可行的辦法，是通過對建筑物大量分階段（即施工過程中的各階段）的實測，掌握各種構件對結構剛度的獨立的及聯合的影響，提出合理計算簡圖，并根據實測結果反演實測的剛度[1]。

2.地震對建筑的破壞機理

從多次地震災害的情況來看，各類建筑物遭受的破壞千差萬別，原因復雜，因素很多。概括地說，主要原因是強度不夠、聯結不牢、地基失效所引起。地面運動相當于一種強迫荷載。在發生破壞性地震時，由于地面的強烈振動，特別是水平振動，建筑物在極短的時間內受到極大的動荷載，特別是側向荷載，因此如果主要承重構件沒有足夠大的斷面，就會因強度不足而造成不同程度的損壞或破壞，直至倒塌。一般在門窗角部易于發生裂縫，主要原因是應力集中；與地震力平行方向的承重墻體，特別是端墻，易于發生斜裂縫、X裂縫，這是主拉應力不足而發生的剪切破壞。柱根一般多出現水平裂縫和錯動，這是彎曲破壞和剪切破壞。對于立面突出部分之所以易于破壞，一則是由于應力集中，二則是它不能很好地與主體結構形成整體振動，三則是高振型的影響。尤其值得注意的是許多結構并非截面不夠，而是由于聯結不牢，支撐不足，延性不夠，整體性差而導致的破壞[2]。

地基失效使建筑物造成破壞的問題，近年來已被日益重視。所謂地基失效，主要有兩種情況：一是飽和砂土受到強烈振動時，砂處于離散狀態，如同液體，喪失承載能力；二是軟弱地基、嚴重不均勻地基在地震時產生過大變形，嚴重沉降，特別是不均勻沉降，以及地基滑移和地裂、地陷等情況。毫無疑問，處于這兩種情況下的建筑物必然發生沉陷、傾斜直至倒塌。顯然，這種震害是不可能靠加強上部結構的辦法來解決的，而應該選擇對建筑物抗震有利的地段為建筑場地。

3.結構動力學在建筑結構中減震應用

3.1隔震結構

（1）隔震結構的原理

一般來說，抗震結構設計的基本方針為：允許出現屈服，即允許出現塑性鉸的某些構件，從而能夠降低結構的地震反應。但是，由于結構的部分構件發生屈服，結構遭受一定程度的破壞是不可避免的。而隔震結構在地震荷載作用下并不產生任何破壞。所謂隔震結構，最理想的辦法就是把結構與地基完全隔離、絕緣，使地震能量不能通過地基傳遞給結構。但是，從現實情況看，把結構與地基完全隔離、絕緣是不現實的，也是不可能的。

（2）隔振結構設計的特點

首先是剛度小，強度小。在上部結構的柱與下部基礎與之間設置隔震層，隔震層內配置各種隔震裝置。隔震裝置的的剛度、強度與結構本身相比都很小。因此，整個結構的第1自振周期將增大，整個結構成為柔性結構。

其次是變形大，能量吸收大。地震時，隔震裝置發生屈服現象，從而使整個結構的變形集中于隔震裝置。因此，隔震裝置將發生很大的變形，因而其能量吸收能力大。隔震結構的力學特征可以用圖1所示的地震反應譜示意圖來說明：周期來講，如果結構的自振周期越大，那么結構在地震荷載作用下的反應加速度就越小，反應位移就越大；就阻尼來講，如果結構的阻尼越大，那么結構在地震荷載作用下的反應加速度就越小，反應位移就越小[3]。

圖1地震反應譜示意圖

（3）隔震結構的力學特征

由于在上部結構的柱與基礎之間設置能量吸收機構，在地震荷載作用下，隔震結構的變形與一般抗震結構的變形不同。在地震荷載作用下，抗震結構將發生剪切、彎曲、基礎回轉及基礎水平移動等變形，結構本身的變形較大。應當注意，在隔震結構中，疊層橡膠承受很大的軸力。在發生水平變形時，疊層橡膠除軸力之外還將承受很大的剪力。由于水平位移的發生，疊層橡膠的有效支承面積將減小。

3.2減震結構

（1）減震結構的原理

在動荷載作用下，結構反應的放大系數如圖2所示。放大系數的大小，與結構的阻尼、外荷載頻率與結構的自振頻率之比有關。由圖2可以看出，在共振點，如果結構的阻尼很小，那么放大系數將變得很大。同樣的道理，如果外荷載為地震荷載，那么結構的地震反應將變得很大。隔震結構就是通過使用疊層橡膠，增大結構的自振周期，避免與地震荷載發生共振。由圖2還可以看出。如果增大結構的阻尼，也能減小結構的地震反應。但實際上，一般鋼結構或鋼筋混凝土結構，其本身的粘滯阻尼比只有2%～5%左右，要想增大結構的阻尼，只有人為地在結構上設置高阻尼裝置。減震結構就是利用這一原理，在結構上設置一些彈塑性減震器、油壓減震器或黏彈性減震器。用來增大結構的等效阻尼，使其能夠吸收更多的地震能量，從而減小結構的振動。因此減小結構地震反應的方法只有兩個：增大結構阻尼，避免共振。

圖2放大系數與阻尼、頻率比的關系

（2）能動性減震

在地震荷載作用下，結構將產生地震反應。根據結構地震反應的大小，對結構施加控制力。這種方法稱為反饋控制。建筑結構的能動性減震一般都是指這種方法。能動性減震，需要在結構上安置能夠檢測出結構地震反應的特殊裝置，還需要設置隨結構反應而發生變化的動力裝置。為使這個裝置處于隨時能夠使用的狀態。要求對這個裝置長期配置電源，并定期進行嚴格的檢查、管理。

被動性減震主要指在結構中只設置減震器，而不設置任何動力裝置。所以，從某種意義上來講，隔震結構也可以看作是減震結構中的一種。被動性減震設計簡單、施工方便、經濟效果較好，因此被廣泛利用。

4.結語

總的來說，在地震發生時，建筑結構需具備保護建筑結構居住者的生命安全，保持建筑結構的財產價值和保持建筑結構的使用功能。通過采取一定的措施，控制建筑結構地震反應，能夠有效的減輕結構的地震破壞，，降低結構的地震內力，保障建筑安全。因此相關設計人員需要掌握結構動力學中的基本原理和方法，并不斷應用到建筑結構抗震設計中，以提高建筑的經濟和社會效益。

參考文獻：

[1]運勝濤，陳亦仁.框架結構的隔震設計之抗震性能分析[J].山西建筑，2013，35（26）：53.

[2]侯建娟.建筑結構設計中的抗震設計[J].建筑與結構設計，2013（6）.

[3]李群芳.結構設計全過程中的抗震概念設計[J].福建建設科技，2012，（3）：46-48.

作者簡介：

熊清華（1988.10-），男，廣西南寧人，研究生，從事建筑結構設計工作。