結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)在建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)在建建筑結(jié)構(gòu)中中的抗震分分析杜方江（寧夏大學(xué)土木木木與水利利工程程學(xué)院寧夏夏銀川75000221）摘要：結(jié)構(gòu)動(dòng)動(dòng)力力學(xué)在建筑筑筑結(jié)構(gòu)設(shè)設(shè)計(jì)中中起著重重要作作用，在在抗震震結(jié)構(gòu)設(shè)設(shè)計(jì)中中兩者是是相互互依存、缺缺一一不可的的整體體。本文文針對(duì)對(duì)結(jié)構(gòu)動(dòng)動(dòng)力學(xué)學(xué)在建筑筑結(jié)構(gòu)構(gòu)設(shè)計(jì)中中的應(yīng)應(yīng)用，分分析建建筑結(jié)構(gòu)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)中不但但要考考慮建筑筑結(jié)構(gòu)構(gòu)的使用用功能能、建筑筑結(jié)構(gòu)構(gòu)的安全全度、建建筑使用用年限限等。在在建筑筑結(jié)構(gòu)設(shè)設(shè)計(jì)中中要考慮慮到當(dāng)當(dāng)?shù)卣饋?lái)來(lái)臨時(shí)時(shí)使建筑筑物小小震不壞壞、中中震可修修、大大震不倒倒的抗抗震原則則。關(guān)鍵詞：結(jié)構(gòu)動(dòng)動(dòng)動(dòng)力學(xué)結(jié)構(gòu)動(dòng)力力特特性建筑結(jié)構(gòu)構(gòu)設(shè)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)安全全度度動(dòng)力學(xué)中的結(jié)構(gòu)構(gòu)構(gòu)動(dòng)力特特性（1）結(jié)構(gòu)動(dòng)力力特特性與結(jié)構(gòu)構(gòu)構(gòu)的剛度度及結(jié)結(jié)構(gòu)的質(zhì)質(zhì)量有有關(guān)。用用表達(dá)達(dá)式表示示：式式中k為剛度;m為質(zhì)量。結(jié)結(jié)結(jié)構(gòu)動(dòng)力力學(xué)在在建筑結(jié)結(jié)構(gòu)中中反映抗抗震性性質(zhì)的微微分方方程：其中的系系數(shù)數(shù)和可以根據(jù)據(jù)初初始條件件確定定。假設(shè)設(shè)在初初始時(shí)刻t=0質(zhì)點(diǎn)有初初始始位移和初初始始速度，即即：y(0))==，（0）=。由此解解得得：，，把和代入微分分方方程即得得：（2）采用一種種能能夠處理重重重復(fù)變換換加載載的三維維有限限元方法法分析析鋼筋混混凝土土柱在地地震荷荷載作用用下的的非線性性特性性。鋼筋筋混凝凝土墻-框架體系系的的非彈性性地震震反應(yīng)，主主要要考慮連連續(xù)變變化的軸軸向力力和撓曲曲的相相互作用用以及及剪切變變形的的影響，并并且且軸向力力的變變化對(duì)動(dòng)動(dòng)力反反應(yīng)影響響顯著著，而剪剪切變變形影響響不大大。分析析鋼框框架建筑筑的非非彈性地地震反反應(yīng)，發(fā)發(fā)現(xiàn)柱柱的軸向向塑性性變性在在一個(gè)個(gè)方向積積累，會(huì)會(huì)導(dǎo)致水水平位位移增加加，加加劇P-△效應(yīng)。軸軸向向力將減減小撓撓曲為主主的振振型的自自振頻頻率。采采用離離散變量量的方方法，將將整個(gè)個(gè)體系加加以處處理，用用拉格格朗日方方程進(jìn)進(jìn)行分析析，便便于考慮慮結(jié)構(gòu)構(gòu)的空間間特性性。2．建筑結(jié)構(gòu)的的的定義及設(shè)設(shè)計(jì)計(jì)優(yōu)化建筑結(jié)構(gòu)是在建建建筑中，由由若若干構(gòu)件件，即即組成結(jié)結(jié)構(gòu)的的單元如如梁、板板、柱等等，連連接而構(gòu)構(gòu)成的的能承受受作用用的平面面或空空間體系系。建建筑結(jié)構(gòu)構(gòu)因所所用的建建筑材材料不同同，可可分為混混凝土土結(jié)構(gòu)、砌砌體體結(jié)構(gòu)、鋼鋼結(jié)結(jié)構(gòu)、輕輕型鋼鋼結(jié)構(gòu)、木木結(jié)結(jié)構(gòu)和組組合結(jié)結(jié)構(gòu)等。結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)設(shè)計(jì)形形狀優(yōu)優(yōu)化是通通過(guò)調(diào)調(diào)整結(jié)構(gòu)構(gòu)內(nèi)外外邊界形形狀來(lái)來(lái)改善結(jié)結(jié)構(gòu)的的動(dòng)力學(xué)學(xué)性能能和達(dá)到到節(jié)省省材料的的目的的。結(jié)構(gòu)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)形狀優(yōu)優(yōu)化從從對(duì)象上上區(qū)分分，主要要有桁桁架框架架類的的桿系結(jié)結(jié)構(gòu)和和塊體、板板、殼殼類的連連續(xù)體體結(jié)構(gòu)。在在進(jìn)進(jìn)行優(yōu)化化設(shè)計(jì)計(jì)時(shí)考慮慮剪切切變形、柱柱的的軸向變變形、不不等截面面等多多因素，并并近近似考慮P-△效應(yīng)，導(dǎo)導(dǎo)出出樓層轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換矩矩陣，通通過(guò)連連乘運(yùn)算算，可可得頂層層與底底層之間間的矩矩陣關(guān)系系式，于于是便于于求解解振動(dòng)問(wèn)問(wèn)題。同同時(shí)考慮慮柱和和非正交交樓板板梁的特特性，可可求的柱柱的主主位移方方向和和主側(cè)移移剛度度。3.結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)學(xué)中中動(dòng)力的安安安全性隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展展展，城市市現(xiàn)代代化改造造步伐伐的加快快，高高層建筑筑的快快速發(fā)展展，在在城市進(jìn)進(jìn)行拆拆除工作作越來(lái)來(lái)越普遍遍。拆拆除爆破破在獲獲得巨大大的經(jīng)經(jīng)濟(jì)效益益的同同時(shí)，也也會(huì)產(chǎn)產(chǎn)生一系系列的的負(fù)面效效應(yīng)，諸諸如震動(dòng)動(dòng)效應(yīng)應(yīng)、空氣氣沖擊擊波效應(yīng)應(yīng)、爆爆破飛石石、噪噪聲、有有害氣氣體等，這這些些效應(yīng)會(huì)會(huì)對(duì)周周圍建筑筑物或或居民造造成危危害。為為了安安全，因因此在在建筑結(jié)結(jié)構(gòu)設(shè)設(shè)計(jì)時(shí)，考考慮慮在動(dòng)力力作用用下框架架結(jié)構(gòu)構(gòu)的動(dòng)力力反應(yīng)應(yīng)設(shè)計(jì)時(shí)時(shí)要確確保細(xì)心心進(jìn)行行設(shè)計(jì)分分析。4.結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)學(xué)在在建筑結(jié)構(gòu)構(gòu)構(gòu)中的抗抗震分分析（1）在建筑結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)設(shè)計(jì)中考考考慮建筑筑結(jié)構(gòu)構(gòu)的兩個(gè)個(gè)主軸軸方向地地震作作用，各各方向向的水平平地震震作用全全部由由該方向向抗側(cè)側(cè)力構(gòu)件件承擔(dān)擔(dān)。有斜斜角抗抗側(cè)力構(gòu)構(gòu)件的的結(jié)構(gòu)，當(dāng)當(dāng)相相交角大大于15度時(shí)，宜宜分分別考慮慮各抗抗側(cè)力構(gòu)構(gòu)件方方向的水水平地地震作用用。質(zhì)質(zhì)量和剛剛度不不均勻、不不對(duì)對(duì)稱的結(jié)結(jié)構(gòu)，應(yīng)應(yīng)考慮水水平地地震作用用的扭扭轉(zhuǎn)影響響，同同時(shí)應(yīng)考考慮雙雙向水平平地震震的影響響。不不同方向向的抗抗震力結(jié)結(jié)構(gòu)的的共同構(gòu)構(gòu)件，應(yīng)應(yīng)考慮雙雙向水水平地震震的影影響。8度和9度時(shí)的大大跨跨度結(jié)構(gòu)構(gòu)、長(zhǎng)長(zhǎng)懸臂結(jié)結(jié)構(gòu)等等應(yīng)考慮慮豎向向地震作作用。（2）進(jìn)行建筑筑結(jié)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)時(shí)時(shí)，必須須考慮慮的重力力荷載載。要考考慮到到當(dāng)?shù)卣鹫饋?lái)臨臨時(shí)使建建筑物物小震不不壞、中中震可修修、大大震不倒倒的抗抗震要求求。對(duì)對(duì)結(jié)構(gòu)構(gòu)構(gòu)件承承載力加加以調(diào)調(diào)整，主主要考考慮以下下因素素。①結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)中中中動(dòng)力荷載載下下材料比比靜力力荷載下下要高高。②地震時(shí)偶偶然然作用，建建筑筑結(jié)構(gòu)的的抗震震可靠度度要求求可比承承受其其他荷載載的可可靠度要要求低低。③在罕遇地地震震下，結(jié)結(jié)構(gòu)薄薄弱層部部位的的層間彈彈塑性性位移應(yīng)應(yīng)滿足足下式的的要求求：式中為層間彈彈塑性性位移；；h為結(jié)構(gòu)薄薄薄弱層的的層高高或鋼筋筋混凝凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)上柱柱高度；；為層間彈塑性位位位移角限限值。（3）結(jié)構(gòu)微振振具具有環(huán)境振振振動(dòng)的隨隨機(jī)性性，結(jié)構(gòu)構(gòu)在環(huán)環(huán)境振源源的激激勵(lì)下將將產(chǎn)生生復(fù)雜的的響應(yīng)應(yīng)，對(duì)建建筑結(jié)結(jié)構(gòu)將產(chǎn)產(chǎn)生破破環(huán)。所所以，結(jié)結(jié)構(gòu)抗震震是結(jié)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)中需需要考慮慮的重重要問(wèn)題題，尤尤其是對(duì)對(duì)于城城市交通通附近近的建筑筑結(jié)構(gòu)構(gòu)設(shè)計(jì)，要要控控制結(jié)構(gòu)構(gòu)微振振，就要要分析析結(jié)構(gòu)防防微振振性能，設(shè)設(shè)計(jì)計(jì)合理的的防微微振方案案。目目前對(duì)于于結(jié)構(gòu)構(gòu)防微振振的分分析多集集中于于設(shè)備隔隔振、減減振措施施及動(dòng)動(dòng)力分析析等方方面。5．結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)學(xué)學(xué)在建筑結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)中抗震震的設(shè)設(shè)計(jì)方法法5.1反應(yīng)譜譜譜設(shè)計(jì)法法根據(jù)結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)學(xué)學(xué)的特性性，地地震作用用下結(jié)結(jié)構(gòu)的動(dòng)動(dòng)力效效應(yīng)，即即結(jié)構(gòu)構(gòu)上質(zhì)點(diǎn)點(diǎn)的地地震反應(yīng)應(yīng)加速速度不同同于地地面運(yùn)動(dòng)動(dòng)加速速度，而而是與與結(jié)構(gòu)自自振周周期和阻阻尼比比有關(guān)。采采用用動(dòng)力學(xué)學(xué)的方方法可以以求得得不同周周期單單自由度度彈性性體系質(zhì)質(zhì)點(diǎn)的的加速度度反應(yīng)應(yīng)。以地地震加加速度反反應(yīng)為為豎坐標(biāo)標(biāo)，以以體系的的自振振周期為為橫坐坐標(biāo)，所所得到到的關(guān)系系曲線線地震加加速度度反應(yīng)譜譜，以以此來(lái)計(jì)計(jì)算地地震作用用引起起的結(jié)構(gòu)構(gòu)上的的水平慣慣性力力，對(duì)于于多自自由度體體系，可可以采用用振型型分解組組合方方法來(lái)確確定地地震作用用。5.2延性設(shè)設(shè)設(shè)計(jì)法通過(guò)地震力減低低低系數(shù)R將反應(yīng)譜譜法法得到的的加速速度反應(yīng)應(yīng)值am降低到與與靜靜力法水水平地地震相當(dāng)當(dāng)?shù)脑O(shè)設(shè)計(jì)地震震加速速度ad，ad=aamm/R地震力降降低低系數(shù)R對(duì)延性較較差差的結(jié)構(gòu)構(gòu)取值值較小，對(duì)對(duì)延延性較好好的結(jié)結(jié)構(gòu)取值值較高高。盡管管最初初利用地地震力力降低系系數(shù)R將加速度度反反應(yīng)降下下來(lái)只只是經(jīng)驗(yàn)驗(yàn)性的的，但人人們已已經(jīng)意識(shí)識(shí)到應(yīng)應(yīng)根據(jù)結(jié)結(jié)構(gòu)的的延性性性質(zhì)不不同來(lái)取取不同同的地震震力降降低系數(shù)數(shù)。5.3能力設(shè)設(shè)設(shè)計(jì)法為了保證鋼筋混混混凝土結(jié)結(jié)構(gòu)具具有足夠夠彈塑塑性變形形能力力的能力力設(shè)計(jì)計(jì)方法。該該方方法是基基于對(duì)對(duì)非彈性性性能能對(duì)結(jié)構(gòu)構(gòu)抗震震能力的的理解解和超靜靜定結(jié)結(jié)構(gòu)在地地震作作用下實(shí)實(shí)現(xiàn)具具有延性性破環(huán)環(huán)機(jī)制的的控制制思想提提出的的，可有有效保保證和達(dá)達(dá)到結(jié)結(jié)構(gòu)抗震震設(shè)防防目標(biāo)，同同時(shí)時(shí)又使設(shè)設(shè)計(jì)做做到經(jīng)濟(jì)濟(jì)合理理。能力力設(shè)計(jì)計(jì)方法的的核心心。①引導(dǎo)框架結(jié)構(gòu)構(gòu)構(gòu)或框架-剪力墻結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)在地震震作用用下形成成梁鉸鉸機(jī)構(gòu)，即即控控制塑性性變形形能力大大的梁梁端先于于柱出出現(xiàn)塑性性鉸，即即所謂的的強(qiáng)柱柱弱梁；②避免構(gòu)件件剪剪力較大大的部部位在梁梁端達(dá)達(dá)到塑性性變形形能力極極限之之前發(fā)生生非延延性破環(huán)環(huán)，即即控制脆脆性破破環(huán)形式式的發(fā)發(fā)生，即即所謂謂的強(qiáng)剪剪弱彎彎；③通過(guò)各類類構(gòu)構(gòu)造措施施保證證將出現(xiàn)現(xiàn)較大大塑性變變形的的部位確確實(shí)具具有所需需要的的非彈性性變形形能力。6.結(jié)語(yǔ)通過(guò)以上分析，在在進(jìn)行建筑結(jié)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)不不但要考慮建建筑結(jié)構(gòu)的使使用功能、建建筑結(jié)構(gòu)的安安全度、建筑筑使用年限等等。在建筑結(jié)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程程中要考慮到到當(dāng)?shù)卣饋?lái)臨臨時(shí)使得建筑筑物小震不壞壞、中震可修修、大震不倒倒的抗震原