高层建筑结构抗震设计方法探究
关键词：高层建筑，抗震设计，反应谱法
1引言
目前阶段的抗震设计包括线性(弹性)和非线性(弹塑性和其他非线性性质)的设计方法，分别可以通过静力和动力的分析过程得以实现，即线性静力分析、线性动力分析、非线性静力分析、非线性动力分析四种方法。弹性抗震设计方法可以保证结构在常遇地震下的正常使用功能。可以确定在设计地震下，结构的强度、变形和舒适度等是否满足规范的要求。可以为结构的设计和加固补强提供最直接的依据。弹塑性抗震设计可以防止结构在罕遇地震作用下失效。本文主要探讨了高层建筑结构抗震设计方法，以及重点介绍了抗震设计的反应谱方法。
2地震作用特点及设计思想
2.1地震作用特点
地震作用随着地震成因的不同，有着许多自身的特性，主要表现为间接性、复杂性、随机性和藕连性等特点。实际的地震地面运动，不仅有两个方向的运动分量，而且有竖向运动分量和转动分量。各种分量的相互关系与地震的震源机制、传播途径有关，既十分复杂，又有明显的随机性和不确定性。在复杂的地震地面运动下，结构将产生巨大的惯性力。地震作用的大小，不仅依赖于地面运动的强弱，还与结构自身的质量、刚度、强度有直接的关系，加之非结构构件的影响，特别是结构在强烈地震下进入非弹性阶段，确实难以采用精确的计算分析方法。
在现阶段的科学技术水平下，建筑结构抗震设计时，对地震作用的计算，还只能在较合理和相对科学的基础上，尽可能吸收结构动力学的最新研究成果采取一定的简化，而不追求过高的计算精度。同时大量的震害表明，水平地震作用通常是最主要的地震作用。
2.2 设计思想
鉴于地震作用具有以上特点，建筑抗震设计要考虑一个地区既要有发生小震的可能，也要考虑发生大震的可能，并根据安全和经济的原则进行抗震设防，这就是抗震设计要确定的设计思想[1]。这个抗震设防思想是在《建筑抗震设计规范》中确定的，并在《建筑抗震设计规范》(GB50011．20011中继续采纳。
第一水准：当建筑物遭遇低于本地区设防烈度的多遇地震(或称“小震”)影响时，建筑物一般不损坏或不需修理仍可继续使用。
第二水准：当遭受本地区设防烈度(或基本烈度)地震作用时，允许结构能够达到或超过屈服极限，经过一般修理或不需修理仍可继续使用。
第三水准：当遭遇高于本地设防烈度的预估罕遇地震(或称大震)影响时，建筑物不倒塌或不发生危及生命的严重破坏。一个地区发生超过预期的强烈地震是可能的，因此，建筑物在使用期内，应考虑一旦遇到这种大震而不致倒塌。
三水准设防目标充分反映了对建筑结构的安全合理性和经济性。结构进入弹塑性状态，材料弹塑性变形就可以吸收并耗散地震能量，结构相对变“柔”。延性结构利用塑性变形而不是利用单纯结构强度来抵抗地震，这样可节约材料，也足够安全。
在罕遇地震作用下，只要结构不倒塌，便可保护人们的生命和财产安全。抗震计算的目的是用定量方法估计地震反应，以保证结构有足够的刚度和承载能力。我国抗震规范要求高层建筑的抗震计算主要是在多遇地震作用下，按反应谱理论计算地震作用，用弹性方法计算内力和位移，并用极限状态方法设计构件；对于重要建筑或有特殊要求时，要用静力弹塑性分析方法或弹塑性时程分析方法补充计算，并进行大震作用下的变形验算。这种先用多遇地震作用进行结构设计，再校核在大震作用下结构弹塑性变形的设计方法，即为两阶段设计方法。
3抗震设计的反应谱法
根据地震作用下建筑结构的加速度反应，求出该结构体系的惯性结构力，将此惯性力视作为一种反应地震影响的等效力，即地震作用，再进行结构的静力计算，求出各构件的内力，进行抗震验算，从而使结构抗震计算这一动力问题转化成相当于静力作用下的静力计算问题，这种方法称为反应谱法[2]。
由于反应谱方法与传统结构设计方法比较接近，因此得到了广泛的应用。各国规范中都给出了设计反应谱的方法。我国抗震规范给出了标准设计反应谱曲线。地震反应谱是现阶段计算地震作用的基础，即通过反应谱把随时程变化的地震作用转化为最大的等效侧向力。地震反应谱是给定的地震加速度作用期间内，单质点体系弹性最大反应随质点自振周期变化的曲线。设计反应谱曲线是通过单质点体系的动力计算得到的。
单质点体系，在地面加速度作用下，质点运动方程：
(1)
式中m,c,k为质点的质量，阻尼系数，刚度系数；分别为质点的位移、速度、加速度，均为时间的函数，为地面运动的加速度，是时间的函数，如果地面运动已知，便可求出质点的位移、速度、加速度反应，反应的最大值分别表示为sd，sv,sa。当质点体系的自振周期改变时，结构的反应就会得到不同的最大反应谱。
按照反应谱理论，单质点体系受到的最大地震作用力F为：
(2)
同时，作用于单质点系的最大剪力V为：
（3）
式中Sa为加速度反应谱，Sd为位移反应谱，，K为单质点体系刚度，m为单质点体系的质量。
化简，得：
(4)
这就意味着单质点体系由反应谱算得的地震作用F等于其底部最大剪力V。上述理论对于多质点体系只是一种简化，但是这对结构分析带来了极大的简化。结构所受的水平地震作用可以转换为等效的侧向力，相应地，结构在地震作用下的作用效应分析也就转换为等效侧向力下的作用效应分析。因此，只要解决了等侧向力的计算，则地震作用效应的分析可以采用静力学的方法来解决。
取同样场地条件下的许多加速度记录，并取阻尼比为O．05，得到相应于该阻尼比的加速度反应谱，除以每一条加速度记录的最大加速度，进行统计分析取综合平均并结合经验判断给予平滑化得到“标准反应谱”，将标准反应谱乘以地震系数，即为规范采用的地震影响系数称为抗震设计反应谱。
4反应谱理论特点
(1)反应谱理论取消了静力法中刚体平移振动的假设，采用了大量强震观测数据，并且能够正确反映结构振动特性，对于大部分建筑物抗震分析结果均可满足工程设计所要求的精确度。
(2)计算较简单。因此，在国际上得到了广泛的应用，极大地推动了结构抗震理论的发展，至今反应谱法一直作为抗震规范中主要采用的方法。由于无法反应结构在强震作用下的非线性工作性能，目前提出的弹塑性反应谱法仍处于理论研究阶段，离实际应用还存在差距。
反应谱方法采用动力方法计算地震反应，考虑了地面运动的强弱、场地土性质及结构动力特性对地震惯性力的影响，能够在相当程度上反映地震对房屋的作用。反应谱法用于设计比较方便，求出等效地震荷载后按照静力方法进行设计计算，所得到的内力能够代表在地震作用下的不利内力，可以根据它们进行截面设计。
5结语
本文从抗震机理出发，在分析地震作用特点基础上，提出抗震设计思想，并分析了抗震设计的反应谱法相关理论及特点。提出通过结构在地震作用下的响应，提高建筑结构的性能设计水平，探索结构分析的新方法，说明结构的非弹性行为研究对于抗震结构设计具有指导作用。
参考文献：
[1]刘毅,张明,魏斌.浅谈高层抗震设计应注意的一些问题[J].《陕西建筑》,2009年第11期,23-24.
[2]刘文锋,付兴潘,于振兴,等.反应谱特征周期的统计分析[J].《青岛理工大学学报》,2009年第30卷第5期,1-7
