結構水平地震作用計算方法的探討

張 永 春

(國策眾合(北京)建筑工程設計有限公司山西分公司，山西 太原 030001)

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結構水平地震作用計算方法的探討

張 永 春

(國策眾合(北京)建筑工程設計有限公司山西分公司，山西 太原 030001)

介紹了我國現階段結構抗震設計的基本要求，從底部剪力法、振型分解反應譜法、彈性時程分析法等方面，闡述了多遇地震時水平地震作用的計算方法，為建筑結構的抗震設計提供了依據。

抗震設計，底部剪力法，彈性時程方法，PKPM，YJK

我國現階段抗震設防的“三水準設防目標”和為實現這一目標所采取的“兩階段設計步驟”是結構抗震設計的基本要求。

三水準設防目標的通俗說法為：小震不壞、基本地震(設防烈度地震)可修、大震不倒。第一階段設計：承載力驗算，是每個結構設計都需要進行的。

多遇地震作用下的內力和變形分析是對結構反應、截面承載力驗算和變形驗算最基本的要求，建筑結構應進行多遇地震作用下的內力和變形分析，而水平地震作用計算是結構抗震計算的重要組成部分，是結構抗震設計計算的基礎。多遇地震時的水平地震作用的計算方法有底部剪力法、振型分解反應譜法、彈性時程分析法。

底部剪力法視多質點體系為等效單質點系，存在多質點系底部剪力值與對應單質點系(質量等于多質點系總質量，周期等于多質點系基本周期)剪力值的差異，且在周期較長時頂部地震作用的誤差可達25%，因此，盡管底部剪力法簡單易行，但它的應用范圍非常有限，它只是一種簡化方法，所以規范規定：只有高度不超過40 m，以剪切變形為主且質量和剛度沿高度分布比較均勻的結構可采用底部剪力法進行地震作用的計算。事實上，隨著我國經濟的高速發展，尤其是城市建設的快速發展，各種造型、多種用途的建筑物不斷涌現，人們對于建筑物的要求不再是基本的保障的需求，而是更高的品質的追求。與這種發展相適應，尤其是隨著電子計算程序的普遍應用，作為抗震設計計算基礎的底部剪力法，在實際工程中已不被廣泛應用，但理解底部剪力法的基本原理，仍作為概念設計的重要內容。

彈性時程方法的關鍵是選波要“靠譜”，由于實際地震記錄還不很豐富，不同地震波輸入進行時程分析的計算結果也不同且差異較大，因此，彈性時程方法在目前情況下還不能完全依靠有限的實際地震記錄來準確進行結構分析，而是針對特別不規則的建筑、甲類建筑和GB 50011—2010建筑抗震設計規范表5.1.2-1所列高度范圍的高層建筑的多遇地震下的補充計算，即時程分析法和振型分解反應譜法的包絡設計。

振型分解反應譜法是將一個多自由度體系的結構分解成若干個相當于各自振周期的單自由度體系結構，采用反應譜求各振型的反應，即求得結構的地震反應，然后用振型組合法求出多自由度體系的地震反應。所以，振型分解反應譜法更符合實際情況。隨著計算機的高度普及和發展，振型分解反應譜法正在被廣泛應用。

與計算方法相適應的是，一批結構計算和設計的專業軟件應運而生，如中國建筑科學研究院的PKPM建筑工程設計軟件、北京盈建科軟件有限責任公司的YJK建筑結構設計計算軟件等，這些專業軟件的產生和應用，減輕了工程設計人員的工作量，提高了工作效率的同時，又極大地推動了工程設計人員對相關設計規范更深刻的理解和執行，因此，專業軟件的產生無疑是建筑結構設計領域一個質的飛躍和里程碑。作為一名結構設計工程師，不會熟練地運用專業軟件，想要高效并保質保量地完成一個設計任務幾乎是不可能的。如今的結構設計行業，大家還有一個共識就是：熟練掌握并應用軟件固然重要，但卻決不能被軟件左右，或者說不能過分依賴軟件。本人從事結構設計工作近十年，見證了PKPM軟件的誕生與成長，是PKPM早期且長期的用戶，利用PKPM，我圓滿完成了許多大大小小的設計任務。近幾年，隨著后起之秀YJK的迅猛發展，我們的工作平臺更加多元和完善，如我們的設計不再僅依據PKPM一家的計算結果，對于比較復雜的結構，我們可以給出PKPM，YJK各自的計算結果，然后對兩個結果進行對比、分析，從而保證使每一個工程結構設計更加的合理、更加的安全和經濟。

采用不同的計算程序，其計算結果也會不相同，對此，以下的實例可以說明：

某一門診綜合樓，標準層結構平面見圖1，平面尺寸為長×寬=58.2 m×15.45 m，地下1層，地上10層，室內外高差0.60 m。結構總高度41.40 m。結構形式為現澆鋼筋混凝土框架—剪力墻結構；基礎為現澆鋼筋混凝土梁板式筏型基礎；該建筑物安全等級為二級。建筑場地類別為Ⅲ類。本工程按抗震設防分類標準屬重點設防類(乙類)建筑，抗震設防烈度為8度，設計基本地震加速度值為0.20g，第一組；本工程抗震措施按8度設計和施工?？蚣芸拐鸬燃壱患?，剪力墻抗震等級一級，框架和剪力墻的抗震構造措施：框架一級，剪力墻一級。

標準層結構平面見圖1。

GB 50011—2010建筑抗震設計規范的5.2.2條的條文說明及JGJ 3—2010高層建筑混凝土結構技術規程的5.1.13條均明確規定：計算振型數應使各振型參與質量之和不小于總質量的90%。本工程用PKPM和YJK分別進行了計算，結果是PKPM用18個振型數即滿足要求，而YJK卻需要30個振型。具體結果如下：

1)計算振型數為18時：

PKPM結果：X方向的有效質量系數：98.34%；Y方向的有效質量系數：96.26%；X向地震作用下結構的地震反應力：Fx=489.82 kN;Y向地震作用下結構的地震反應力：Fy=413.21 kN。YJK結果：X方向的有效質量系數：89.61%；Y方向的有效質量系數：87.95%；X向地震作用下結構的地震反應力：Fx=473.79 kN;Y向地震作用下結構的地震反應力：Fy=405.49 kN。

2)計算振型數為30時：

PKPM結果：X方向的有效質量系數：99.88%；Y方向的有效質量系數：99.30%；X向地震作用下結構的地震反應力：Fx=723.13 kN;Y向地震作用下結構的地震反應力：Fy=540.18 kN。YJK結果：X方向的有效質量系數：96.37%；Y方向的有效質量系數：93.30%；X向地震作用下結構的地震反應力：Fx=704.81 kN;Y向地震作用下結構的地震反應力：Fy=521.64 kN。

由以上結果可看出，當僅使用PKPM一個軟件時，雖然有效質量系數滿足了要求，但結構的地震反應力有可能偏小，如果不進行YJK的計算，這個問題就不會被發現。所以，作為一個建筑結構設計的工程師，面對具體的工程時必須做到多思考、多計算、多分析，這樣才能做到心中有數，從而杜絕設計質量問題的發生。

[1] GB 50011—2010,建筑抗震設計規范應用與分析[S].

[2] JGJ 3—2010,高層建筑混凝土結構技術規程應用與分析[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

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