结构水平地震作用计算方法的探讨

张 永 春

(国策众合(北京)建筑工程设计有限公司山西分公司，山西 太原 030001)



结构水平地震作用计算方法的探讨

张 永 春

(国策众合(北京)建筑工程设计有限公司山西分公司，山西 太原 030001)

介绍了我国现阶段结构抗震设计的基本要求，从底部剪力法、振型分解反应谱法、弹性时程分析法等方面，阐述了多遇地震时水平地震作用的计算方法，为建筑结构的抗震设计提供了依据。

抗震设计，底部剪力法，弹性时程方法，PKPM，YJK

我国现阶段抗震设防的“三水准设防目标”和为实现这一目标所采取的“两阶段设计步骤”是结构抗震设计的基本要求。

三水准设防目标的通俗说法为：小震不坏、基本地震(设防烈度地震)可修、大震不倒。第一阶段设计：承载力验算，是每个结构设计都需要进行的。

多遇地震作用下的内力和变形分析是对结构反应、截面承载力验算和变形验算最基本的要求，建筑结构应进行多遇地震作用下的内力和变形分析，而水平地震作用计算是结构抗震计算的重要组成部分，是结构抗震设计计算的基础。多遇地震时的水平地震作用的计算方法有底部剪力法、振型分解反应谱法、弹性时程分析法。

底部剪力法视多质点体系为等效单质点系，存在多质点系底部剪力值与对应单质点系(质量等于多质点系总质量，周期等于多质点系基本周期)剪力值的差异，且在周期较长时顶部地震作用的误差可达25%，因此，尽管底部剪力法简单易行，但它的应用范围非常有限，它只是一种简化方法，所以规范规定：只有高度不超过40 m，以剪切变形为主且质量和刚度沿高度分布比较均匀的结构可采用底部剪力法进行地震作用的计算。事实上，随着我国经济的高速发展，尤其是城市建设的快速发展，各种造型、多种用途的建筑物不断涌现，人们对于建筑物的要求不再是基本的保障的需求，而是更高的品质的追求。与这种发展相适应，尤其是随着电子计算程序的普遍应用，作为抗震设计计算基础的底部剪力法，在实际工程中已不被广泛应用，但理解底部剪力法的基本原理，仍作为概念设计的重要内容。

弹性时程方法的关键是选波要“靠谱”，由于实际地震记录还不很丰富，不同地震波输入进行时程分析的计算结果也不同且差异较大，因此，弹性时程方法在目前情况下还不能完全依靠有限的实际地震记录来准确进行结构分析，而是针对特别不规则的建筑、甲类建筑和GB 50011—2010建筑抗震设计规范表5.1.2-1所列高度范围的高层建筑的多遇地震下的补充计算，即时程分析法和振型分解反应谱法的包络设计。

振型分解反应谱法是将一个多自由度体系的结构分解成若干个相当于各自振周期的单自由度体系结构，采用反应谱求各振型的反应，即求得结构的地震反应，然后用振型组合法求出多自由度体系的地震反应。所以，振型分解反应谱法更符合实际情况。随着计算机的高度普及和发展，振型分解反应谱法正在被广泛应用。

与计算方法相适应的是，一批结构计算和设计的专业软件应运而生，如中国建筑科学研究院的PKPM建筑工程设计软件、北京盈建科软件有限责任公司的YJK建筑结构设计计算软件等，这些专业软件的产生和应用，减轻了工程设计人员的工作量，提高了工作效率的同时，又极大地推动了工程设计人员对相关设计规范更深刻的理解和执行，因此，专业软件的产生无疑是建筑结构设计领域一个质的飞跃和里程碑。作为一名结构设计工程师，不会熟练地运用专业软件，想要高效并保质保量地完成一个设计任务几乎是不可能的。如今的结构设计行业，大家还有一个共识就是：熟练掌握并应用软件固然重要，但却决不能被软件左右，或者说不能过分依赖软件。本人从事结构设计工作近十年，见证了PKPM软件的诞生与成长，是PKPM早期且长期的用户，利用PKPM，我圆满完成了许多大大小小的设计任务。近几年，随着后起之秀YJK的迅猛发展，我们的工作平台更加多元和完善，如我们的设计不再仅依据PKPM一家的计算结果，对于比较复杂的结构，我们可以给出PKPM，YJK各自的计算结果，然后对两个结果进行对比、分析，从而保证使每一个工程结构设计更加的合理、更加的安全和经济。

采用不同的计算程序，其计算结果也会不相同，对此，以下的实例可以说明：

某一门诊综合楼，标准层结构平面见图1，平面尺寸为长×宽=58.2 m×15.45 m，地下1层，地上10层，室内外高差0.60 m。结构总高度41.40 m。结构形式为现浇钢筋混凝土框架—剪力墙结构；基础为现浇钢筋混凝土梁板式筏型基础；该建筑物安全等级为二级。建筑场地类别为Ⅲ类。本工程按抗震设防分类标准属重点设防类(乙类)建筑，抗震设防烈度为8度，设计基本地震加速度值为0.20g，第一组；本工程抗震措施按8度设计和施工。框架抗震等级一级，剪力墙抗震等级一级，框架和剪力墙的抗震构造措施：框架一级，剪力墙一级。

标准层结构平面见图1。

GB 50011—2010建筑抗震设计规范的5.2.2条的条文说明及JGJ 3—2010高层建筑混凝土结构技术规程的5.1.13条均明确规定：计算振型数应使各振型参与质量之和不小于总质量的90%。本工程用PKPM和YJK分别进行了计算，结果是PKPM用18个振型数即满足要求，而YJK却需要30个振型。具体结果如下：

1)计算振型数为18时：

PKPM结果：X方向的有效质量系数：98.34%；Y方向的有效质量系数：96.26%；X向地震作用下结构的地震反应力：Fx=489.82 kN;Y向地震作用下结构的地震反应力：Fy=413.21 kN。YJK结果：X方向的有效质量系数：89.61%；Y方向的有效质量系数：87.95%；X向地震作用下结构的地震反应力：Fx=473.79 kN;Y向地震作用下结构的地震反应力：Fy=405.49 kN。

2)计算振型数为30时：

PKPM结果：X方向的有效质量系数：99.88%；Y方向的有效质量系数：99.30%；X向地震作用下结构的地震反应力：Fx=723.13 kN;Y向地震作用下结构的地震反应力：Fy=540.18 kN。YJK结果：X方向的有效质量系数：96.37%；Y方向的有效质量系数：93.30%；X向地震作用下结构的地震反应力：Fx=704.81 kN;Y向地震作用下结构的地震反应力：Fy=521.64 kN。

由以上结果可看出，当仅使用PKPM一个软件时，虽然有效质量系数满足了要求，但结构的地震反应力有可能偏小，如果不进行YJK的计算，这个问题就不会被发现。所以，作为一个建筑结构设计的工程师，面对具体的工程时必须做到多思考、多计算、多分析，这样才能做到心中有数，从而杜绝设计质量问题的发生。

[1] GB 50011—2010,建筑抗震设计规范应用与分析[S].

[2] JGJ 3—2010,高层建筑混凝土结构技术规程应用与分析[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

张永春(1985- )，女，工程师

TU352

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