建筑结构地震作用计算方法及地震设计参数的选取

建筑结构地震作用计算方法及地震设计参数的选取摘要：建筑结构抗震设计在整个结构设计过程中至关重要、贯穿始终。本文结合现行规范对设计过程中常用的抗震设计方法（如振型分解反应谱法、时程分析法等）进行分类、总结，并对重要的、易混淆难理解的抗震参数（如偶然偏心、双向地震等）加以区分，方便结构设计时合理的选取。

关键词：地震作用计算；振型分解反应谱法；偶然偏心；双向地震

《建筑抗震设计规范GB50011》（以下简称《抗规》）规定：6度时不规则建筑、建造于Ⅳ类场地上较高的高层建筑以及7，8，9度的多层建筑均需进行地震作用计算。《高层建筑混凝土结构技术规程（JGJ3）》（以下简称《高规》）规定：各抗震设防类别的高层建筑均需进行地震作用计算。可以说除规则的6度区多层建筑外，均应进行地震作用计算。由于抗震计算软件基本能完成这部分的计算，但在实际项目中，我们应该弄清楚不同结构对应的抗震计算方法以及相应的计算参数的选取，这样才能正确高效的完成结构抗震设计。本文结合现行规范对设计过程中常用的抗震设计方法进行分类、总结，并对重要的抗震设计参数加以区分，方便设计时合理应用。

一、地震作用计算方法

1、底部剪力法

《抗规》《高规》中均已明确：高度不超40m、以及剪切变形为主且质量和刚度沿高度分布比较均匀的结构，以及近似于单质点体系的结构，可采用底部剪力法等简化方法计算地震作用。

底部剪力法为简化的计算方法，它与振型分解反应谱法均属于反应谱法范畴，此方法主要适用于手算或单层厂房等单质点体系的计算，目前多高层结构软件计算均不采用，而使用更为准确的振型分解反应谱法。

2、振型分解反应谱法

除了需要时程分析法进行设防地震（中震）、罕遇（大震）计算的建筑结构外,此方法为大部分多高层在多遇地震作用下进行地震作用计算的主流计算方法，是目前结构计算软件普遍采用的方法，主要应用于多遇地震（小震）的计算。其计算效率高，结果相对准确，设计过程中便于调整、对比、分析。

规范也同时规定了振型分解法是根据结构体型规则性分为两种不同的计算方法：采用不进行扭转耦联计算的SRSS（平方和的平方根）法以及进行扭转耦联计算的CQC（完全方根）法。根据《抗规》及《高规》中强制条文要求：质量、刚度均匀对称的结构（可采用位移比≤1.2判断）在相邻振型周期比小于0.85时可采用SRSS方法计算，但使用此方法时对多层建筑应考虑《抗规》5.2.3.1条的边榀放大系数，对高层建筑应考虑《高规》4.3.3条的偶然偏心影响;其余情况均采用CQC法，但要注意区分高层建筑要考虑偶然偏心，而多层建筑不考虑,详见表1。

模型计算输入计算参数时，以PKPM为例：

“考虑偶然偏心”选项：多层结构仅计算位移比时勾选，计算配筋时不勾选；高层结构不论计算位移比还是计算配筋均勾选。

“考虑双向地震作用”选项：不论多高层建筑，先不勾选，如果计算结果位移比>1.2则勾选，否则不勾选。

3、时程分析法

《抗规》要求：对于特别不规则建筑、甲类建筑和表5.1.2-1所列高度范围的高层建筑，应采用时程分析法进行多遇地震的充计算，但其基本方法仍是底部剪力法和振型分解反应谱法。《高规》中需进行补充计算的除《抗规》中要求外，还包括：竖向不规则建筑（不满足3.5.2～3.5.6条规定）、复杂高层建筑结构、存在顶层空旷房间时、B级高度高层建筑结构、混合结构。

设计过程应注意：此补充计算即对计算结果的底部剪力、楼层剪力和位移进行比较，当时程分析法大于振型分解反应谱法时，求出其增大系数η，不满足的相关部位的构件内力乘以此增大系数η，并以此放大后的楼层楼层剪力计算结果进行配筋、施工图设计。但模型的整体参数如位移比、剪重比、层间位移角等均可保持不变。

超限高层结构在进行抗震性能化设计以及计算罕遇地震的下结构的弹塑性变形时也需要采用时程分析法，这种情况时程分析法即作为中震、大震时的主要计算和分析，目前结构计算软件SUSAGE、EPDA、ABAQUS等均可以计算，单因其计算工作量大耗费时间较长，只有少量项目才涉及。

无论进行补充计算，还是进行中震、大震的弹塑性分析，软件计算时应注意地震波的选取，确保实际地震记录和人工模拟的加速度时程曲线比例及时程曲线计算所得的结构底部剪力等指标足规范相应要求。

二、地震设计参数

1、规定（给定）水平力

《高规》3.4.5条文说明里给出其定义：一般指在多遇地震作用下通过振型组合后求得的楼层剪力并换算出的水平力，换算原则：每一个楼面处的水平作用力取该楼面上、下两个楼层的地震剪力差的绝对值(见图1)。

所谓振型组合即本文前面所提到的SRSS和CQC组合，规定水平力是一种人为规定的假象的水平力，其主要用途为：1.计算结果的扭转位移比；2.计算框架-剪力墙的底部倾覆力矩，判断抗震等级；3.计算短枝剪力墙的底部倾覆力矩，判断是否具有较多短肢剪力墙的结构。

2、偶然偏心

偶然偏心类似于混凝土构件计算大偏心受压构件的初始偏心距。其偏心距的取值为0.05L（L为垂直于地震作用方向的建筑物总长度），它是考虑地震作用扭转效应的一种方法。

偶然偏心的主要用途：1.多高层建筑结构进行扭转位移比的判别时；2.高层建筑结构进行单向地震作用（包括各振型地震作用）的计算时。

可以理解为：除扭转位移比等整体计算参数外，它是高层建筑地震作用考虑扭转效应的一种特殊计算方法。如果某个高层结构平面尺寸很长，则在附加偶然偏心的影响下，其地震作用扭转效应更为明显，在实际项目中应尽量避免。

刚性楼板假定、位移比、周期比

《抗规》3.4.3条文指出：对于结构扭转不规则(即位移比)，按刚性楼盖计算；而《高规》中用来控制结构的整体扭转刚度的周期比也是宏观控制指标，计算时应忽略局部振动影响。因此采用结构软件计算周期比、位移比时应采用刚性楼板假定，目的是忽略了局部位置楼板变形的影响，满足规范设计意图。但计算结构内力、配筋、位移时不应采用刚性楼板假定。这里应注意：根据《抗规》条文说明3.4.1表1的要求，多层结构周期比也应进行控制。

综上所述,在软件计算的结果参数里，要根据规范正确选择判断，避免错误，本人根据规范要求对程序输出的各项结果选取做了如下总结，详见表2。

结语

本文针对地震作用方法、使用前提条件及地震计算参数的选取做了归纳总结，便于结构建模计算使用。由于具体项目的的复杂性和特殊性，应结合规范条文弄清其概念性本质原理，而不是死扣规范条文数据，生搬硬套，这样才能做出合理的结构设计。

参考文献：

[1]《建筑抗震设计规范》GB50011-2010,北京：中国建筑工业出版社，2010．

[2]《高层建筑混凝土结构技术规程》JGJ3-2010，北京：中国建筑工业出版社，2010．

[3]《PKPM多高层结构计算软件应