結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)在建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)在建筑結(jié)構(gòu)中的抗震分析杜方江（寧夏大學(xué)土木與水利工程學(xué)院寧夏銀川750021）摘要：結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中起著重要作用，在抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中兩者是相互依存、缺一不可的整體。本文針對(duì)結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用，分析建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中不但要考慮建筑結(jié)構(gòu)的使用功能、建筑結(jié)構(gòu)的安全度、建筑使用年限等。在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中要考慮到當(dāng)?shù)卣饋?lái)臨時(shí)使建筑物小震不壞、中震可修、大震不倒的抗震原則。關(guān)鍵詞：結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)安全度動(dòng)力學(xué)中的結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性（1）結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性與結(jié)構(gòu)的剛度及結(jié)構(gòu)的質(zhì)量有關(guān)。用表達(dá)式表示：式中k為剛度;m為質(zhì)量。結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)在建筑結(jié)構(gòu)中反映抗震性質(zhì)的微分方程：其中的系數(shù)和可以根據(jù)初始條件確定。假設(shè)在初始時(shí)刻t=0質(zhì)點(diǎn)有初始位移和初始速度，即：y(0)=，（0）=。由此解得：，，把和代入微分方程即得：（2）采用一種能夠處理重復(fù)變換加載的三維有限元方法分析鋼筋混凝土柱在地震荷載作用下的非線性特性。鋼筋混凝土墻-框架體系的非彈性地震反應(yīng)，主要考慮連續(xù)變化的軸向力和撓曲的相互作用以及剪切變形的影響，并且軸向力的變化對(duì)動(dòng)力反應(yīng)影響顯著，而剪切變形影響不大。分析鋼框架建筑的非彈性地震反應(yīng)，發(fā)現(xiàn)柱的軸向塑性變性在一個(gè)方向積累，會(huì)導(dǎo)致水平位移增加，加劇P-△效應(yīng)。軸向力將減小撓曲為主的振型的自振頻率。采用離散變量的方法，將整個(gè)體系加以處理，用拉格朗日方程進(jìn)行分析，便于考慮結(jié)構(gòu)的空間特性。2．建筑結(jié)構(gòu)的定義及設(shè)計(jì)優(yōu)化建筑結(jié)構(gòu)是在建筑中，由若干構(gòu)件，即組成結(jié)構(gòu)的單元如梁、板、柱等，連接而構(gòu)成的能承受作用的平面或空間體系。建筑結(jié)構(gòu)因所用的建筑材料不同，可分為混凝土結(jié)構(gòu)、砌體結(jié)構(gòu)、鋼結(jié)構(gòu)、輕型鋼結(jié)構(gòu)、木結(jié)構(gòu)和組合結(jié)構(gòu)等。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)形狀優(yōu)化是通過(guò)調(diào)整結(jié)構(gòu)內(nèi)外邊界形狀來(lái)改善結(jié)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)性能和達(dá)到節(jié)省材料的目的。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)形狀優(yōu)化從對(duì)象上區(qū)分，主要有桁架框架類的桿系結(jié)構(gòu)和塊體、板、殼類的連續(xù)體結(jié)構(gòu)。在進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)考慮剪切變形、柱的軸向變形、不等截面等多因素，并近似考慮P-△效應(yīng)，導(dǎo)出樓層轉(zhuǎn)換矩陣，通過(guò)連乘運(yùn)算，可得頂層與底層之間的矩陣關(guān)系式，于是便于求解振動(dòng)問(wèn)題。同時(shí)考慮柱和非正交樓板梁的特性，可求的柱的主位移方向和主側(cè)移剛度。3.結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)中動(dòng)力的安全性隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，城市現(xiàn)代化改造步伐的加快，高層建筑的快速發(fā)展，在城市進(jìn)行拆除工作越來(lái)越普遍。拆除爆破在獲得巨大的經(jīng)濟(jì)效益的同時(shí)，也會(huì)產(chǎn)生一系列的負(fù)面效應(yīng)，諸如震動(dòng)效應(yīng)、空氣沖擊波效應(yīng)、爆破飛石、噪聲、有害氣體等，這些效應(yīng)會(huì)對(duì)周圍建筑物或居民造成危害。為了安全，因此在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，考慮在動(dòng)力作用下框架結(jié)構(gòu)的動(dòng)力反應(yīng)設(shè)計(jì)時(shí)要確保細(xì)心進(jìn)行設(shè)計(jì)分析。4.結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)在建筑結(jié)構(gòu)中的抗震分析（1）在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中考慮建筑結(jié)構(gòu)的兩個(gè)主軸方向地震作用，各方向的水平地震作用全部由該方向抗側(cè)力構(gòu)件承擔(dān)。有斜角抗側(cè)力構(gòu)件的結(jié)構(gòu)，當(dāng)相交角大于15度時(shí)，宜分別考慮各抗側(cè)力構(gòu)件方向的水平地震作用。質(zhì)量和剛度不均勻、不對(duì)稱的結(jié)構(gòu)，應(yīng)考慮水平地震作用的扭轉(zhuǎn)影響，同時(shí)應(yīng)考慮雙向水平地震的影響。不同方向的抗震力結(jié)構(gòu)的共同構(gòu)件，應(yīng)考慮雙向水平地震的影響。8度和9度時(shí)的大跨度結(jié)構(gòu)、長(zhǎng)懸臂結(jié)構(gòu)等應(yīng)考慮豎向地震作用。（2）進(jìn)行建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，必須考慮的重力荷載。要考慮到當(dāng)?shù)卣饋?lái)臨時(shí)使建筑物小震不壞、中震可修、大震不倒的抗震要求。對(duì)結(jié)構(gòu)構(gòu)件承載力加以調(diào)整，主要考慮以下因素。①結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)中動(dòng)力荷載下材料比靜力荷載下要高。②地震時(shí)偶然作用，建筑結(jié)構(gòu)的抗震可靠度要求可比承受其他荷載的可靠度要求低。③在罕遇地震下，結(jié)構(gòu)薄弱層部位的層間彈塑性位移應(yīng)滿足下式的要求：式中為層間彈塑性位移；h為結(jié)構(gòu)薄弱層的層高或鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)上柱高度；為層間彈塑性位移角限值。（3）結(jié)構(gòu)微振具有環(huán)境振動(dòng)的隨機(jī)性，結(jié)構(gòu)在環(huán)境振源的激勵(lì)下將產(chǎn)生復(fù)雜的響應(yīng)，對(duì)建筑結(jié)構(gòu)將產(chǎn)生破環(huán)。所以，結(jié)構(gòu)抗震是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中需要考慮的重要問(wèn)題，尤其是對(duì)于城市交通附近的建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，要控制結(jié)構(gòu)微振，就要分析結(jié)構(gòu)防微振性能，設(shè)計(jì)合理的防微振方案。目前對(duì)于結(jié)構(gòu)防微振的分析多集中于設(shè)備隔振、減振措施及動(dòng)力分析等方面。5．結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)在建筑結(jié)構(gòu)中抗震的設(shè)計(jì)方法5.1反應(yīng)譜設(shè)計(jì)法根據(jù)結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)的特性，地震作用下結(jié)構(gòu)的動(dòng)力效應(yīng)，即結(jié)構(gòu)上質(zhì)點(diǎn)的地震反應(yīng)加速度不同于地面運(yùn)動(dòng)加速度，而是與結(jié)構(gòu)自振周期和阻尼比有關(guān)。采用動(dòng)力學(xué)的方法可以求得不同周期單自由度彈性體系質(zhì)點(diǎn)的加速度反應(yīng)。以地震加速度反應(yīng)為豎坐標(biāo)，以體系的自振周期為橫坐標(biāo)，所得到的關(guān)系曲線地震加速度反應(yīng)譜，以此來(lái)計(jì)算地震作用引起的結(jié)構(gòu)上的水平慣性力，對(duì)于多自由度體系，可以采用振型分解組合方法來(lái)確定地震作用。5.2延性設(shè)計(jì)法通過(guò)地震力減低系數(shù)R將反應(yīng)譜法得到的加速度反應(yīng)值am降低到與靜力法水平地震相當(dāng)?shù)脑O(shè)計(jì)地震加速度ad，ad=am/R地震力降低系數(shù)R對(duì)延性較差的結(jié)構(gòu)取值較小，對(duì)延性較好的結(jié)構(gòu)取值較高。盡管最初利用地震力降低系數(shù)R將加速度反應(yīng)降下來(lái)只是經(jīng)驗(yàn)性的，但人們已經(jīng)意識(shí)到應(yīng)根據(jù)結(jié)構(gòu)的延性性質(zhì)不同來(lái)取不同的地震力降低系數(shù)。5.3能力設(shè)計(jì)法為了保證鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)具有足夠彈塑性變形能力的能力設(shè)計(jì)方法。該方法是基于對(duì)非彈性性能對(duì)結(jié)構(gòu)抗震能力的理解和超靜定結(jié)構(gòu)在地震作用下實(shí)現(xiàn)具有延性破環(huán)機(jī)制的控制思想提出的，可有效保證和達(dá)到結(jié)構(gòu)抗震設(shè)防目標(biāo)，同時(shí)又使設(shè)計(jì)做到經(jīng)濟(jì)合理。能力設(shè)計(jì)方法的核心。①引導(dǎo)框架結(jié)構(gòu)或框架-剪力墻結(jié)構(gòu)在地震作用下形成梁鉸機(jī)構(gòu)，即控制塑性變形能力大的梁端先于柱出現(xiàn)塑性鉸，即所謂的強(qiáng)柱弱梁；②避免構(gòu)件剪力較大的部位在梁端達(dá)到塑性變形能力極限之前發(fā)生非延性破環(huán)，即控制脆性破環(huán)形式的發(fā)生，即所謂的強(qiáng)剪弱彎；③通過(guò)各類構(gòu)造措施保證將出現(xiàn)較大塑性變形的部位確實(shí)具有所需要的非彈性變形能力。6.結(jié)語(yǔ)通過(guò)以上分析，在進(jìn)行建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)不但要考慮建筑結(jié)構(gòu)的使用功能、建筑結(jié)構(gòu)的安全度、建筑使用年限等。在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程中要考慮到當(dāng)?shù)卣饋?lái)臨時(shí)使得建筑物小震不壞、中震可修、大震不倒的抗震原則。在結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)時(shí)，尤其是高