与前面的计算结果很接近

与前面的计算结果很接近说明底部剪力法的计算结果是可靠的。

3—6结构自振周期和振型的计算做一个建筑物的抗震设计，首先要求这个结构的自振周期，如果采用振型分解反应谱法，还要用到振型。如何求得结构的自振周期和振型。手算方法（近似计算）计算机算法（较精确算法）基本周期多个周期及振型一、能量法(Rayleighmethod)

1理论基础：能量守恒原理

无阻尼自由振动时

动能+变形位能不变(常量)

结构以某频率（相应振型）振动时位移其中

为相应频率

的振型速度则

体系变形位能达到最大值体系的动能达到最大值（变形位能为零）（动能为零）2能量守恒可求得

j、j

是哪一个自振频率，看振型。振型是未知的。实用算法，假定振型。将质点的重量水平作用在质点上，求出相应的变形根据此振型可求得自振频率3由于体系最大变形位能体系最大动能4例求两层框架的基本周期（能量法）如图，G1=400KNG2=300KNK1=14280KN/mK2=10720KN/m

（1）求层间剪力（G1、G2作用下）

首层剪力

二层剪力

（2）计算层位移

（3）计算基本周期G1K2G2K15例如图为三层框架结构，假定其横梁刚度无穷大。各层质量分别为m1=2561t,m2=2545t,m3=559t.各层刚度分别为k1=5.43×105KN/m,k2=9.03×105KN/m,k3=8.23×105KN/m。用能量法求基本周期和振型解（1）求重力荷载水平作用下的位移层间剪力各层位移k1k2k36（2）结构基本频率及振型为提高精度，可进一步迭代。各质点的惯性力各层位移7二、折算质量法

也是一种近似方法，也只是求基本频率

体系以第一频率（振型）振动时

动能最大值

原体系

等效体系Meqmi两者相等8

则基频

单位力水平作用下顶点位移

顶点作用单位力时各质点的水平位移。F=1xi等效质量法频率相等，得9对于多个质量，有于是，有即Dunkeley公式。可以证明，得出的结果小于真实频率。10例用折算质量法求自振周期（基本周期）在顶部施加单位力，得能量法（瑞雷法）0.508s非常接近。11折算质量法还适用于连续体系将一个均匀分布的质量换算成一个集中质量来求其自振周期，0.25为换算系数。三、顶点位移法

也是最常用的经验方法之一（手算法），将重力荷载水平方向作用，求出顶点位移就可以近似地估算出结构的自振周期。12弯曲变形剪切变形弯剪变形将重力荷载水平作用在结构上，顶点位移四、矩阵迭代法

也是一种手算方法，可求频率和振型，Stodola法方程的左边有，右边有

13

假定一个振型（标准化的振型）求出标准化

可求得结构的第一振型共有n个方程，任意拿出一个方程都可求得第一频率。也可求出振型及，但求得的是最高频率和振型。另外14

求出基频及振型后，还可求出高阶频率（利用振型的正交性）。以一个例子来说明求自振频率和振型（1）求柔度矩阵及质量矩阵15（2）求第一振型假定

将

作为标准化的标准16（2）求第二振型展开17假定18

(3)求第三振型利用振型的正交性，有19五、雅可比法（Jacobi）计算机方法求实对称矩阵的特征值和特征向量的有效方法实数对称不能保证将令于是，令则20实数对称矩阵

雅可比法的原理：

已知实对称，构造一个正交矩阵正交矩阵，[s]的第j列就是第j个特征值对应的特征向量对角矩阵关键问题是找到正交矩阵[s]21构造一个正交矩阵P列q列P行q行中求全部特征值和特征向量22高层规范规定：8、9度大跨结构，长悬臂结构、烟囱和高耸结构9度高层建筑考虑竖向地震作用如何考虑，抗震规范根据不同的结构类型采用不同的计算方法1、高层与高耸结构采用反应谱法结构总的竖向地震作用标准值i竖向地震影响系数的最大值取水平地震影响系数最大值的65%结构等效重力荷载，取总重力荷载代表值的75%。23质量和刚度分布不对称，此时，抗震规范规定应考虑水平地震作用产生的扭转影响。

仍然是三个步骤：（1）自由振动分析求出自振频率和振型此时平移和扭转耦联。（2）计算各振型地震作用标准值，地震作用效应（3）各振型地震作用效应的组合一、平移——扭转耦联体系的自由振动

基本假定（1）楼板在其自身平面内绝对刚性，平面外刚度很小，忽略不计（2）各榀抗侧力结构（框架或剪力墙等）在其自身平面内有刚度，平面外刚度忽略不计（3）所有构件都不考虑自身的抗扭作用（4）在计算中，将质量都集中到各层的楼板处尽量对称，尽量使刚度、质量分布均匀、对称。有时需要立面复杂，3—7建筑结构的扭转地震效应24一、刚心和质心图示一房屋的平面图刚度中心抗侧力构件还有一个质量中心，如果刚度中心、质量中心不重合，即存在偏心矩25二、单层偏心结构的振动取质量中心为坐标原点，质心在x方向、y方向的位移及绕质心的转角分别为uxuy和

φ（以逆时针旋转为正）则x方向第i榀抗侧力构件沿x方向位移同理,y方向第j榀抗侧力构件沿y方向位移根据达朗贝尔原理,的运动方程:26写成矩阵形式,得集中于屋盖的总质量屋盖绕z轴的转动惯量屋盖在x方向的平移刚度屋盖在y方向的平移刚度屋盖的抗扭刚度27由于坐标原点在质量中心，于是有则注：φ=1时x方向弹性恢复力的合力。

Rxi=kxiΔxi=kxiφyi=kxixi于是，振动方程为体系的自由振动方程28自振频率和振型以一简单情形为例，即只存在y方向偏心,振动方程为oXY令代入到振动方程，得29令将上式展开，得解得得第一振型得第二振型30

结构在平移——扭转振动中，每个楼层有三个自由度（两个平移和一个转角）。坐标原点设在每层楼板的质量中心，由于各层的的质心不在同一直线上，所以坐标轴为一折线（见图3—28）

自由振动方程

其中为质量矩阵阶对角阵三、多层偏心结构的地震作用31刚度矩阵共榀xyj榀其中：方向平移方向平移楼板转角平行于x轴方向的各榀结构的刚度矩阵之和平行于x轴第j榀结构的刚度矩阵平行于y轴的各榀结构的刚度矩阵之和平行于y轴第i榀结构的刚度矩阵32平行于x轴的第j榀结构的l层的y方向坐标平行于y轴的第j榀结构的l层的x方向的坐标33令

代入自由振动方程，利用前面讲过的方法可求得自振周期和振型

平移-扭转的振型参与系数

当仅考虑x方向地震时34

当仅考虑y方向地震时

第j振型i层质心在x、y方向的水平相对位移

j振型i层的扭转角

j层转动半径考虑扭转影响的水平地震作用

于是可求得j振型的地震作用

第i层的地震作用第j振型的水平地震影响系数，由在反应谱上求得。35

第j振型地震作用效应也就求出来了。三、振型组合

前面讲过地震作用效应的组合方法SRSS(thesquarerootofthesumofthesquares)方法

各振型独立振动，互不相关，且各频率相差比较大。

事实上，各个振型有一定的耦连，特别是比较接近的频率，对应的振型之间有一定的耦联作用。现行规范考虑了这种耦联作用，采用如下的组合方法。

CQC(completequadraticcombination)法

j振型、k振型的耦联系数,ζj、ζk为j、k振型的阻尼比。

组合一般取9—15个振型36如果阻尼比采用0.05，则当考虑双向水平地震作用的扭转效应时，根据强震记录分析结果，两个方向的水平地震加速度不相等，大约1：0.85，且不在同一时间发生。因此，须按平方和开平方的方法确定，即sx、sy分别为x、y方向的水平地震作用效应。取以上两式中的较大者。对于规则结构，当不按扭转计算时，考虑到施工、使用等偶然偏心以及地面运动扭转分量，规范规定：对于平行于地震作用方向的两个边榀的地震作用效应短边乘以增大系数1.15,长边乘以增大系数1.05。37当各振型的自振周期相差较大时，这种组合方法与前面的组合方法给出非常接近的结果。

3—8地基与上部结构相互作用的影响

在确定结构的地震作用时，总是假定地基

是刚性的，事实上地基总是有变形的。

以自由场的地震记录作为地震输入，

这样做并不合理。刚性地基自由地基如果发生地震结构对场地的地面运动有影响刚性一般地基内力地基的变形对结构的变形反应有影响

38由于结构物的存在，地面的运动发生了变化，由于地基的非刚性，结构的反应发生了变化，这就是地基与上部结构的相互作用。

抗震规范规定：抗震验算时，一般可不考虑地基与结构的相互作用，但对于Ⅲ、Ⅳ类场地采用刚性较大的基础（箱、筏基）的高层建筑时，且设防烈度为8度和9度时，可将刚性假定所得的计算结果予以折减。规范规定对于高宽比小于3的结构，各楼层的地震剪力折减系数按刚性地基假定计算时结构的基本周期计入地基与结构动力相互作用的附加周期，按下表采用39烈度场地类别Ⅲ类Ⅳ类80.080.2090.100.25表3-7高宽比大于3的结构,考虑高振型的影响,顶部的地震力不折减，底部按上式计算，中间层，用内插法确定。40

3—9结构竖向地震作用

震害表明，高烈度区烟囱出现掉头破坏，顶部出现环形裂缝。