第十八届全嗣高层建筑结构学术会议论文2 0 0 4 年建筑结构抗震分析与设计中的几个问题李英民邓小华薛尚铃( 重庆大学土木工程掌院，I t 庆4 0 0 0 4 5 ) ( 重庆南设计院重庆4 0 0 0 1 5 ) ( 中冶奏遍工程技术股份有限公司重庆4 0 0 0 1 3 )刘立平郑妮娜韩军石诚( 熏庆大学上本T 程学院重庆4 0 0 0 4 5 )( 中元圜际工稷设计研究院，j t 京1 0 0 0 8 9 )提要：本文对时程分析输入地震波的选择、带深桩基础建筑结构输入地震波的选择、偶然偏心豹处理、双向水平地震共同作用分析的地震动输入及结构范围界定与组合方法、结构扭转控制指标以及静力非线性分析方法等闯题进行了探讨，给出了相应的建议关键词：地震动输入，偶然偏心。双向水平地震作用，扭转，静力非线性分析l引言新一轮规范的颁布实施，对建筑结构的分析与设计提出了更高的要求，给设计：t ：作带来很多变化，如新旧规范之间的差别及其对结构设计的主要影响、新的结构分析方法及程序应用等诸多问题需要及时了解。本文结合作者近年来的一些研究成果和：J = 程实践，就建筑结构抗震分析与设计中几个值得注意的问题进行讨论，以期引起工程设计人员的重视。2 关于抗震设计的地震动输入问题结构抗震设计首先必须合理地确定地震作用。按现行规范进行抗震设计需要两种形式的地震动输入，即设计反应谱和地震波。新修订的抗震设计规范对设计反应谱进行了重要修订，同时也对输入地震波的选择提出了更具操作性的方法。2 1 时程分析输入地震波输入地震波的选择一直是制约时程分析法得以广泛推广使用的因素之一。现行规范规定，应按建筑场地类别和设计地震分组选用不少于二组的实际强震记录和一组人r 模拟的加速度时程曲线，其平均地震影响系数曲线麻与振型分解反应谱法所采刚的地震影响系数曲线在统计意义上相符I IJ 。所谓“在统计意义上相符”，是指平均地震影响系数曲线与振型分解反应谱法所用地震影响系数曲线在各个周期点上相差不超过2 0 。上述规定实质上涉及两方面内容：一是样本容量，即最少选多少条波；一是选波控制指标。即根据什么选李英民男1 9 6 8 1 li B 乍T 学博l ：，教授。 参加本文丁二作的还有重庆大学上本T 程学院扬溥、翳：吕松I ：l i 南交通人学杨成等。1 9 5第十八属令国高屡建筑结构学术会议论文2 0 0 4 年波，如何选波。值得注意的是，所选用的地震波一定包含人造波，以体现人造波的统计性 2 - 5 1 。虽然较以前更具可操作性，但实践中仍然存在一定困难和I 口- J 题：( 1 ) 按照平均地震影响系数曲线与设计地震影响系数曲线在各个周期点上相差不超过2 0 选波时往往不易控制，一方面由丁控制点过多可能选不出所需要的记录，另方面主观性较大，周期点的疏密可能影响选波结果。在以结构最大弹塑性顶点位移为目标考查了4 种选波控制指标方案计算结果的离散程度后，作者建议采用“双频段反应谱控制”选择输入地震波p 4 6 j ，即：要求所选记录的反应谱与设计反应谱在平台段( O 1 ，T 。) 和结构基本周期T 1 附近( T i - T l ，T l + T 2 ) 这两个频段上均值相差不超过给定的容许偏差，其中R为反应谱特征周期，T l 和T 2 分别为T l 前后的周期间隔。通常，可取T 2 = T I = o 5 s ，容许偏差可控制为1 5 左右。由此计算得的结构反应离散性通常可用于指导设计；( 2 ) 规范与地震动参数区划图接轨，对给定场地的大小震反应谱采用不同的谱形，这是符合地震危险性分析结果的【2 瓠。但由此给选波带来的问题是。当进行结构在多遇地震作用下的弹性分析时，应按多遇地震影响系数曲线选波，计算结果应与其他方法的结果对比；当进行结构在罕遇地震作用下的弹塑性分析时，应按罕遇地震影响系数曲线选波。两种分析所采用的地震波很可能不同，尽管这在理论上是正确的，但无疑大大增大了选波的难度。对此应找出解决办法。2 2 带深桩基础建筑结构的输入地震波在软士地基上兴建高层建筑，桩基础被广泛采用，且桩身往往较长。长期以来，人们计算这种带深桩基础高层建筑结构地震作用下的动力反应，往往假定地基为刚性，把自由场地表地震动作为结构底部的地震动输入，这种常规输入法是否合理一直还存有争议。已有研究【7 q 3 l 表明，刚性地基假定下结构的动力反应和实际结构的动力反应存在差别，且上部结构与地基的刚度比越大，这种差别越大，仍然采用传统的输入法进行地震反应分析是否可行值得研究。带深桩高层建筑结构的地震动输入研究实质上可归结为桩、士与上部结构的动力相互作用问题。因而，可通过常规输入法与较为精确的整体有限元法所计算的对比对常规输入法进行考查。作者采用包括上部结构、地基和桩基础在内的籀体有限元模型，在地基底部输入基岩地震动，对4 种场地条件、高度为1 0 层- 2 0 层的规则框架结构共1 2 组算例进行了对比分析l l 钔。每组算例分别选用8 条基岩波作为整体模型中的地震动输入，同时对4 种场地考虑经考证的合理边界后建立自由场模型并进行自由场地震反应分析，将得到的地表地震动反应作为常规模型的地震动输入。对比表明，总体上讲，常规输入法偏安全，是基本可行的。但对于结构底部凡层的层间位移、柱上端弯矩、粱端弯矩( 剪力) 等可能偏不安全，对于柱轴力可能沿楼层全商偏不安全，对此应引起足够重视，且在结构底部等关键部位宜对常规输入法计算所得的内力和变形设计值进行适当放大调整l I 引。2 3 双向水平地震作用现行规范规定，对于某些明显不规则的结构应采用简化方法考虑双向水平地震作用的影响，僵双向输入的反应谱谱形却完全相同。这种方法在很大程度上照顾到了工程设计的1 9 6 第十八届全国离层建筑结构学术会议论文2 0 0 4 年简便可行，却无视双向水平地震动在频谱特征上所具有的差别，其结果则可能导致分析结果与实际情况不相符甚至差别较大。那么，在进行双向水平地震作用下的分析时首先必须解决的问题是合理输入的确定，空间相关的地震动输入形式至少在理论上讲是应予考虑和探讨的。作者在对三维地震动反应谱的相关性进行统计分析的基础上，采用设计反应谱的三参数标定模型提出了相关设计反应谱的概念，并结合统计回归公式给出与规范相对应的相关设计谱的取值建议p5 1 。简言之，峰值加速度大的分量其长周期反应谱值多较另一分量略低。至于相关设计谱在工程设计中的具体处理方法则应在深入研究的基础上再行确定。在不过分增加计算工作量的前提下，可考虑沿验算方向分别输入最终取大值的方法。3 关于偶然偏心偶然偏心是由施工、使用或地震地面运动的扭转分量等不确定因素引起的。现行抗震规范和高层建筑混凝土结构技术规程( J G J 3 2 0 0 2 ) ( 以下简称高规) 1 1 6 均考虑了偶然偏心问题，但主要针对平面规则结构，而对不规则结构则没有作相关规定。抗震规范没有对平面不规则结构提出考虑偶然偏心的要求，高规第3 3 3 条的条文说明认为，当计算双向水平地震作用时，可不考虑质量偶然偏心的影响。而欧美瓶范( 如U B C 9 7 1 7 】、N E H R P 9 7 l l 引、E C 8 1 1 9 等) 对所有结构均取与地震作朋正交方向结构平面尺寸的5 作为偶然偏心，无条件地计入其影响。文献【2 0 】通过一个平面不规则结构分析得出偶然偏心对平面不规则结构的影响相对予平面规则结构似乎略小些。因此有必要通过算例分析研究偶然偏心对不规则结构的影响规律，以期为规范关于不规则结构偶然问题的处理提供参考。为研究不规则结构的偶然偏心影响，设计了l 层、5 层、1 0 层单向偏心结构和l 层双向偏心结构的算例，包括：l 层结构设计平面长宽比分别为1 ：1 、3 ：1 和5 ：l 的X 向偏心结构各7 个，长宽比为3 ：l 的结构另设计7 个Y 向偏心结构；5 层和1 0 层结构分别设计长宽比为3 ：l 的X 向偏心结构各1 个，各层名义偏心率相同，质心和刚心在两条平行的垂线上；l 层双向偏心结构设计3 个长宽比均为3 ：l ，结构两个主轴方向的名义偏心率相同。名义偏心率是指结构平面内质心与剐心不重合时的间距与偏心方向的结构长度之比。通过以上算例分析1 2 ，对于名义偏心率相同的单向和双向偏心结构有如下结论：偶然偏心对地震作用下柱端剪力、位移、弹性层间位移角和楼层偏心扭转角韵影响随结构名义偏心率的增大而减弱；结构短边方向的地震效应受偶然偏心的影响较大，即使是名义偏心率较大的不规则结构，偶然偏心对柱端剪力、位移、弹性层间位移角以及楼层偏心扭转角的增幅影响在1 6 、1 2 、1 2 和1 0 左右，不宜忽略：结构长边方向的地震效应受偶然偏心影响很小，增幅不超过3 ：在各层名义偏心率基本相同的情况下，偶然偏心的影响基本不随结构层数的增加而变化。基于以上结论，建议进行抗震设计的结构均计入偶然偏心的影响1 2 1 。首先，从导致偶然偏心产生的原因上看，任何结构都存在偶然偏心的问题：其次，U B C 9 7 、N E H R P 9 7 和E C 8 均要求无条件地考虑偶然偏心。另外，即使名义偏心很大受偶然偏心影响相对较小的1 9 7 第十，k 届全图高层建筑结构学术会议论文2 0 0 4 年结构，其地震作用下结构效应受偶然偏心的增大影响也不宜忽略。偶然偏心并非仅放大结构边榀地震效应，当结构跨数较多、跨度较大时，离结构质心较远的抗侧力构件也可能受到较大影响，仅放大结构边榀地震效应的简化方法不尽合宣。建议直接计算偶然扭矩计入偶然偏心的影响，由此所带来的计算：I = 作量并未有显著增大。4 关于双向水平地震共同作用分析除输入问题以外，需明确界定应进行双向水平地震共同作用分析的结构范围，并给出合理的组合方法。现行抗震规范规定，对质量和剐度分布明显不对称的结构应计入双向水平地震作用下的扭转影响，其定性给出的考虑双向水平地震作用的结构范围不明确，不便于工程设计人员执行。同时，抗震规范及高规又将需考虑双向水平地震作用的结构范围界定同结构扭转效应控制指标联系起来，即采用某些扭转效应控制指标作为需考虑双向水平地震作用的结构界定指标。这种做法使得设计分析需要进行一定的初步试算，为分析方法的选择及结果判定增加了工作量。就组合方法而言，国内外规范采取的方法不尽相同，由于规范要求结构纵横向结构周期宣相近，此时采用平方和开方的简化组合原则是否合适也值得探讨。4 1 结构范圈界定应该看到，由于结构扭转效应影响因素众多( 如静力偏心距、扭转剐度、梁桂剐度比值及结构周期等) 且彼此相互影响，目前还没有一种扭转效应控制指标得到较好的应用f 2 2 l 。文献【2 3 】及【2 4 】按照现行抗震规范关于平面不规则结构的定义，以框架结构为例，分别设计单向偏心、双向偏心、凸凹不规则及楼板局部不连续等4 种平面不规则结构算例进行分析，考查了偏心扭转角即楼层的最大弹性水平位移( 或层间位移) 与该楼层两端弹性水平位移( 或层间位移) 平均值之比作为扭转不规则指标的合理程度，总结出各种平藤不规则结构扭转效应与结构参数的关系，给出计及扭转效应及需考虑双向水平地震作用的结构范围。所取得的主要结论有：结构扭转效应与现行规范所采用的扭转不规则指标即偏心扭转角闷的相关性并不好，偏心扭转角不宣作为判断结构是否计及扭转效应及需考虑双向水平地震作用的界定指标，特别是作为唯一指标更不妥当；对于楼层闻均匀偏心的多层单向偏心结构。建议采用相对偏心距作为需考虑双向水平地震作用的界定指标，并给出针对不同平面尺寸的界限相对偏心距；对于楼层间均匀偏心的多层双向偏心结构，建议采用两个主轴方向的相对偏心距及其夹角作为界定指标，结合单向僚心结构的界定方案进行需考虑双向水平地震作用的结构范围界定：凸凹不规则结构的扭转效应与凸凹比例无正相关关系，规范要求所有平面布置不对称的凸凹不规则结构均计及扭转效应的规定