弹性时程分析法在结构设计中的应用

　　摘要：本文对现有的弹性分析方法进行了概述，重点介绍了动力弹性时程分析的理论、优点和基本方法，及该方法在工程中的应用，对于动力弹性时程分析方法在高层、特别是超限高层分析中的推广应用提供了有益的参考和借鉴。

　　关键词：动力弹性时程分析,结构设计,应用

　　0 前言

　　地震作用是危害建筑安全的最主要灾害之一。几十年来，人们大量积累的地震实测资料多体现出速度、加速度或者位移时程的形式。与此相对应，时程分析方法是计算建筑结构地震响应最直接的一种方法。但是，由于地震作用具有随机性，因此导致了计算结果的不确定性，使得弹性时程分析方法只能作为结构设计的一种辅助计算方法;尽管如此，为了增强重要结构的抗震安全性，抗震规范仍然规定将弹性时程分析方法作为一种补充振型分解反应谱法的计算方法;弹性时程分析方法被认为是一种仿真的地震作用响应的计算方法。下面探讨如何在结构设计中正确的运用弹性时程分析的计算方法。

　　1 正确的应用弹性时程分析

　　在软件中正确地应用弹性时程分析方法,首先需要正确的认识《建筑抗震设计规范》的相关条文规定。以下几点是需要特别明确的：

　　(1)“采用时程分析方法时，应按建筑场地类别和设计地震分组选用不少于两组的实际强震记录和一组人工模拟的加速度时程曲线”。可能在不同地震波作用下的建筑结构响应差别较大，为了避免离散性，可在一定程度上选用多条地震波的平均值。一般是以规范反应谱为基础，通过蒙特卡罗方法来得到人工模拟地震波，这将更加贴近规范反应谱或反映场地的当地特征。SATWE，TAT ，PMSAP 等软件可按照结构的特征周期给出多组人工波和天然波进行弹性时程分析，要选取足够数量的地震波进行计算，使得到的计算结果在统计意义上相符。

　　(2)抗震规范第5.1.2条第3 点规定，“可取多条时程曲线计算结果的平均值与振型分解反应谱法计算结果的较大值”。在过程设计中，有不同的做法可以实现“较大值”：1) 采用弹性时程分析设计的楼层地震响应包络值与振型分解反应谱法计算结果二者中较大的值直接进行构件设计;2) 在实现振型分解反应谱方法时，使地震力放大，让时程分析楼层响应曲线的平均值被楼层响应曲线包住。前一种做法也许会使得构件配筋较大，因为在时程分析过程中，不具有构件响应最大的内力的同时性。可以通过适当放大震型分解反应谱法的地震作用来满足规范相应的要求。

　　(3)“弹性时程分析时，每条时程曲线计算所得结构底部剪力不应小于振型分解反应谱法计算结果的65%，多条时程曲线计算所得结构底部剪力的平均值不应小于振型分解反应谱法计算结果的80%”。此规定有效的控制了地震波计算结果的离散性，保证时程分析结果满足工程安全要求。在执行该条文时，若设计人员找不到满足该条文规定的足够数量的地震波时，有些设计人员会采用放大地震波峰值加速度的方式达到基底剪力的要求。这种做法是欠妥的，因为放大地震波的峰值加速度使结构的设防烈度放大了，这是毫无根据的也失去了选择天然波的的本质。

　　(4)“多波平均地震响应系数曲线应与振型分解反应谱法所采用的地震影响系数曲线在统计意义上相符”。该条文说明二者在结构主要振型周期点上相差不大于20%。地震波的最重要特征之一就是频谱特征，会在一定程度上影响时程分析结果的合理性。判断某条实际地震波响应谱的最大卓越周期是否与结构的特征周期一致是一种可行的做法，也可以判断其几个最主要卓越周期是否包含在结构特征周期之内。尽管这种做法是概念性的，但是一般是可执行且有效的。

　　3 正确应用弹性时程分析

　　与“大震不倒”的抗震设防目标相对应，混凝土高规和抗震规范等规定了弹性阶段变形验算的相关内容。但规范没有详细规定其具体做法，下面结合SATWE、TAT、PMASP等软件应用阐述弹性动力时程分析中的常见问题。

　　(1)输入地震波的有效持续时间一般从首次达到时程曲线最大峰值的10%那一点算起，到最后一点达到最大峰值的10%为止，有效持续时间为结构基本周期的5~10倍，即结构顶点的位移可按基本周期往复5~10次。

　　(2)地震波的峰值加速度压缩成各设防烈度所要求的数值。

　　(3)确定计算方向并确定各方向比例，如1(水平1):0.85(水平2):0.65(竖向)。

　　(4)分析计算结果确定计算要选取的地震波的数量，使得到的结果有代表意义。

　　(5)分析计算结果找出结构中存在的薄弱环节，为后面的加强设计做好数据支持。

　　正确进行常遇地震下弹性时程分析需注意以下几点：

　　(1)弹性时程分析能告诉我们什么。弹性时程分析可以反映出来结构的很多固有特性，包括：1)结构的薄弱楼层出现在什么部位;2) 常遇地震作用下结构的宏观响应情况，如：结构的整体振动过程;剪力墙、框架部分协同工作等;3) 常遇地震下多条地震波平均弹性层间位移角是否满足规范规定。

　　(2)如何判断在常遇地震作用下的薄弱楼层的位置。弹性时程分析的楼层响应结果统计可以反映出结构中的薄弱楼层。此基础上得到的薄弱楼层得到加强，要更加有效的改善结构的抵抗地震的能力。

　　(3)正确地看待弹性变形验算。弹性阶段变形验算是《规范》规定的建筑结构常遇地震分析的主要内容，就是多波平均弹性最大层间位移角要小于《规范》所规定的限值。这是保证结构在地震下安全的重要规定。但是其实弹性时程分析可以反映出更多的结构性能特征，提供了一个有用的量化工具给改善结构设计。

　　4 结语

　　结合一些实践经验讨论了一下在建筑结构设计中应用弹性时程分析。时程分析结果受地震的随机性而较难把握，认为地震响应分析是“算不准”的一些设计人员的观点其实是可以改变的。只要一些基本的原则把握好了，再去认真地进行分析，还是可以从弹性时程分析中得到很多有用的量化信息。

　　参考文献

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　　[3]徐泳;;应用全量弹性有限元法分析折板结构的探讨[J];北京农业机械化学院学报;1982年01期

　　[4]内山武司;上田正生;土桥由造;姚志礼;;钢筋混凝土板的弹性分析[J];山西建筑;1980年01期

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文章名称： 弹性时程分析法在结构设计中的应用

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