结构抗震设计中的动力时程分析方法综合介绍

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　　时程分析法又称直接动力法，在数学上又称步步积分法。顾名思义，是由初始状态开始一步一步积分直到地震作用终了，求出结构在地震作用下从静止到振动以至到达最终状态的全过程。它与底部剪力法和振型分解反应谱法的最大差别是能计算结构和结构构件在每个时刻的地震反应(内力和变形)。

　　当用此法进行计算时，系将地震波作为输入。一般而言地震波的峰值应反映建筑物所在地区的烈度，而其频谱组成反映场地的卓越周期和动力特性。当地震波的作用较为强烈以至结构某些部位强度达到屈服进入塑性时，时程分析法通过构件刚度的变化可求出弹塑性阶段的结构内力与变形。这时结构薄弱层间位移可能达到最大值，从而造成结构的破坏，直至倒塌。

　　作为高层建筑和重要结构抗震设计的一种补充计算，采用时程分析法的主要目的在于检验规范反应谱法的计算结果、弥补反应谱法的不足和进行反应谱法无法做到的结构非弹性地震反应分析。

　　时程分析法的主要功能有：
　　(1) 校正由于采用反应谱法振型分解和组合求解结构内力和位移时的误差。特别是对于周期长达几秒以上的高层建筑，由于设计反应谱在长周期段的人为调整以及计算中对高阶振型的影响估计不足产生的误差。

　　(2) 可以计算结构在非弹性阶段的地震反应，对结构进行大震作用下的变形验算，从而确定结构的薄弱层和薄弱部位，以便采取适当的构造措施。

　　(3)可以计算结构和各结构构件在地展作用下每个时刻的地震反应(内力和变形)，提供按内力包络值配筋和按地震作用过程每个时刻的内力配筋最大值进行配筋这两种方式。

　　总的来说，时程分析法具有许多优点，它的计算结果能更真实地反映结构的地震反应，从而能更精确细致地暴露结构的薄弱部位。

　　时程分析法有关的几个问题：
　　(1) 恢复力特性曲线;
　　恢复力特性曲线应用于计算必须模型化，常用的有双线型模型与退化三线型模型;退化三线型模型(附图)能较好地反映以弯曲破坏为主的钢筋混凝土构件的的特性，所以适用于此类构件计算。

　　(2) 结构计算模型及分析方法;

　　(3) 地震波的选用;

　　(4) 时程分析计算结果的处理。
　　时程分析要依靠计算机及软件，作为一般的工程设计人员，只需要了解1、2两个问题的内容，为软件的选用及前期数据准备做基础。问题3、4的内容，特别是问题3的内容，设设计人员能够把握的，也是能否得到良好分析结果的重要因素。

　　结构动力时程分析模型
　　目前结构动力时程分析模型主要有三种：三维空间模型、二维平面模型和层模型。

　　从理论上讲，三维空间模型最接近结构的实际情况，是较理想的分析模型，计算精度也高，但由于这种模型计算工作量巨大，在目前的微机硬件资源条件下，大型结构设计中很少采用。

　　二维平面模型和层模型对结构作了较多的简化处理，二维平面模型是将结构离散成一系列相互独立的“榀”，这种模型适用于刚度分布均匀、几何布置规则的结构。仅就独立的一榀而言，二维平面模型的弹塑性动力反应分析理论研究比较成熟，计算工作量有限，效率和精度都比较高，但由于建筑造型的多样化，结构不规则布置是经常的，将二维平面模型应用于不规则布置的复杂结构时有一定的局限性。

　　层模型是一种利用力学等效方法的简化模型，它是把结构按层静力等效成质量弹簧串，然后再进行弹塑性动力反应分析。层模型把许多动力计算问题事先用静力方法处理了，所以，分析效率提高了，但计算精度有所损失。

　　它是把结构按层静力等效成质量弹簧串，然后再进行弹塑性动力反应分析。层模型只能通过时程分析找到薄弱层，不能找到具体的薄弱杆件。

　　层模型动力时程分析计算由两部分组成，前一部分是层静力特性计算，这部分实际上就是一个小型的Push- over analysis计算程序，采用增量法和能量法相结合，逐层计算结构的层间全曲线，并拟合成恢复力骨架曲线，为动力响应分析提供三线性骨架曲线的三个控制点，从而完成把结构简化成以集中质量、串联簧形式描述的层模型的层参数统计工作;后一部分是动力时程响应计算，基于集中质量、串联簧形式描述的层模型，采用Wilson-θ法计算结构的动力响应。

　　二维平面模型针对的是结构的一个局部——“榀”，对一棍框架进行时程分析，直接找出薄弱的杆件。这种模型的精度主要取决于把结构离散成“榀”这一模型化过程。若结构的刚度分布比较均匀，几何布置比较规则，正交或接近正交，结构各榀之间影响不大，把结构离散成相互独立的“榀”精度损失不多，可以采用二维平面模型进行弹塑性动力反应分析。

　　反之，若结构的刚度分布不均匀，几何布置不规则，很难分成“榀”，或即使可以分成“榀”，但各榀之间相互影响较人，把这种结构离散成相互独立的“榀”时可能有较大的精度损失，对于这些结构不宜采用二维平面模型。

　　现有分析方法综述：
　　(1) 等效剪切型计算程序：这种计算模型是以结构层为计算单元，忽略梁的变形，结构变形集中在竖向抗侧构件上，因此可将各层所有的抗侧构件等效为一个总的层间抗剪构件来进行计算。该模型的优点是计算简单省时，能够快速、扼要地提供工程上所需的层剪力和层间位移。

　　但其缺点也是显而易见的，它仅适用于以剪切变形为主的规则结构，并且采用这种计算方法只能得到结构在地震作用下的宏观反应，无法提供具体构件的内力和变形及由于地震作用引起的竖向荷载变化对构件屈服的变化。

　　(2) 平面杆系计算程序：采用的计算模型是由可带刚域的杆件组成的平面框架结构，它克服了剪切模型的诸多弊端，杆件可同时考虑轴向、弯曲和剪切变形，框架节点有水平、竖向位移和转动三个自由度，杆件恢复力特征曲线有弯曲屈服型和压弯屈服型两种。

　　采用该程序可求得各杆件在地震作用下的内力和变形全过程，判断每根杆件的开裂和屈服与否，以及各杆件屈服的先后顺序，从而了解整个结构的破坏形态。用平面杆系计算程序进行弹塑性分析时，需对原结构进行简化，或是取出一榀框架进行分析或是将整个结构捏合成一榀等效框架进行分析。

　　(3) 空间计算程序：近年来国内外在地震作用空间非线性分析上做了大量的工作，也取得了不少的成果，但由于数据录入与处理较为烦琐，难以使工程界接受。

　　(4) 非线性静力分析程序：也称为“静力弹塑性分析法”(push-over)，主要用于进行变形验算，尤其是大震下的抗倒塌验算。通过非线性静力分析计算可以求出塑性铰位置和转角，找到结构薄弱部位。采用非线性静力分析方法的好处是可以花较少的时间和费用达到工程设计所要求的变形验算精度，是值得推荐的方法。

　　(5) 模型振动台试验：建筑科学是一门试验科学，不管当今的力学计算水平如何发展，试验技术仍然是工程设计中不可缺少的辅助工具。特别是当结构非常复杂、现有计算理论又无法圆满解决问题时，我们就只能借助模型振动台试验，用以替代时程分析，直接对结构的地震反应及破坏形态进行观察。

　　模型振动台试验有两点有待做进一步的研究。一是构件应力状态的模拟，二是构件抗力的模拟。原型结构的自重较大，模型材料的弹性模又不能太小.因此棋型结构的自重往往会超过台面允许的最大负荷，一般通过减小模型自重和提高台面加速度来解决，这样模型构件的应力状态与原型结构的应力状态并非完全等效，破坏也较实际结构更为严重。

　　振动台试验时需对地震波的时间轴进行压缩，压缩比例较大;另一方面地震作用下结构的破坏是一个累积的过程。如果振动持续时间太短，构件裂缝内未完全发展振动就结束了，这样就不能很好地模拟地震作用下的震损过程。

　　选用合适的数字化地震波
　　即地震地面运动加速度。选择的原则是使输入地震波的特性和建筑场地的条件相符合。

　　主要参数有：地震烈度、地震强度参数、场地的土壤类别、卓越周期和反应谱等。选择地震波时应选其主要周期与建筑场地卓越周期接近的地震波。

　　要满足地震活动三要素的要求：即频谱特性〔可用地震影响系数曲线表征，依据所处的建筑场地类别和设计地震分组确定〕、有效峰值(按规范所列地震加速度最大值采用)和地震加速度时程曲线持续时间(一般为结构基木周期的5- 10倍)，这三者均要符合规定。

　　规范要求：选用数字化地震波应按建筑场地类别和设计地震分组选用不少于两组的实际强震记录和一组人工模拟的加速度时程曲线，其平均地震影响系数曲线应与振型分解反应谱法所采用的地震影响系数曲线在统计意义上相符。

　　目前，国内关于时程分析法输入地震记录的选取有两种做法：一种是对实际地震记录进行修正，使其地震影响系数曲线与规范的地震影响系数曲线在统计意义上相符;而另一种是通过一定的方法在大量的实际地震记录中选取一些满足规范要求的地震记录，以供时程分析法使用。

　　(1) 有关实际地震记录的修正

　　① 强度修正。将地震波的加速度峰值及所有的离散点都按比例放大或缩小以满足场地的烈度要求。

　　② 滤波修正。可按要求设计滤波器，对地震波进行时域或频域的滤波修正。这样修正的地震资料不仅卓越周期满足要求，功率谱的形状和面积也可控制。

　　③ 卓越周期修正。将地震波的离散步长按人为比例改变，使波形的主要周期和场地卓越周期一致，然而，在改变离散步长的同时也将改变地震波的频谱特性，在弹塑性反应中有时会产生不安全的后果。因此，修正的幅度不宜过大，在结构构件进人塑性的程度较大时最好不用此种办法。

　　(2) 有关输入地震波的平均地震影响系数曲线与振型分解反应谱法所采用的地震影响系数曲线在统计意义上相符的控制

　　对于反应谱的控制采用两个频段：

　　一是对地震记录加速度反应谱值在[[0.1， Tg]平台段的均值进行控制，要求所选地震记录加速度谱在该段的均值与设计反应谱相差不超过10%;

　　一是对结构基本周期T1附近〔T1-△T1，T1十△T2〕段加速度反应谱均值进行控制，要求与设计反应谱在该段的均值相差不超过10%。△TI和△T2的取值，由于需进行时程分析的结果其T1多在2SEC以上，以取值△T1≤△T2=0.5SEC为宜。有些文章没有谈到对第一频段的控制，个人认为可根据计算结果的拟合情况决定。

　　(3) 有关输入的地震记录应反映抗震建筑所在地的场地特性的控制

　　根据地震记录的反应谱卓越周期来选择输入的地震波，选择其主要周期与建筑场地卓越周期接近的地震波。

　　对于时程分析计算结果的处理，日前我国尚末提出明确的方法。按G 850011- 2001规范的规定：弹性时程分析时，每条时程曲线的计算所得结构底部剪力小应小于振型分解反应谱法计算结果的65%，多条时程曲线的计算所得结构底部剪力的平均值，小应小于振型分解反应谱法计算结果的80%。

　　目前可以采用以下3种处理方法：

　　① 经验判定修正法。这是常用的一种方法，就是将时程分析法与SRSS法或CQC法计算结果进行比较，如果某楼层采用SRSS法或CQC法计算所得的层剪力或层弯矩明显小于采用时程分析法计算所得的层剪力或层弯矩，则对该层的配筋应子以调整，适当加大。

　　② 平均反应值法。根据所选用的多条地震波的反应结果的平均值，求得相应外力，加在结构进行内力计算，求出构件的配筋，然后和采用SRSS法或CQC法的计算配筋作对比，对构件的整体配筋作适当调整。

　　③ 最大包络值法。从所选用的多条地震波的计算反应结果求得其外包络值(即最大值)，作为外力加在结构上进行内力计算，求出构件的配筋，这个方法求出的配筋值最大。

　　若采用时程分析法计算所得的结果小于采用SRSS法或CQC法计算所得的结果，则不必再返回计算配筋，直接采用SRSS法或CQC法的计算结果即可;若采用时程分析法计算所得的结果大大超过按振型分解反应谱法或考虑扭转藕连影响的CQC法的计算结果，则应重新考虑结构方案。

　　静力弹塑性分析方法
　　静力弹塑性分析方法(push-over法)的确切含义及特点：结构弹塑性变形分析方法有动力非线性分析(动力时程分析)和静力非线性分析两大类。动力非线性分析能准确而完整地得出结构在罕遇地震下的反应全过程，但数值计算过程中需要反复迭代，数据量大，分析工作繁琐，且数值结果受到所选用地震波的影响较大，一般只在设计重要结构或高层建筑结构时采用。

　　我国抗震规范提出“弹塑性变形分析，可根据结构特点采用静力非线性分析或动力非线性分析”，这里的静力非线性分析，主要指push-over分析方法。

　　静力弹塑性分析方法(push-over法)，是对结构在罕遇地震作用下进行弹塑性变形分析的一种简化方法，从本质上说它是一种静力分析方法。具体地说，就是在结构分析模型上施加按某种规定的分布方式模拟地震水平作用惯性力的侧向力，单调加载并逐级加大，一旦构件开裂或屈服即修改其刚度，直到结构达到预定的状态(成为机构、位移超限或达到目标位移)，从而判断结构分析模型是否满足相应的抗震能力要求。

　　静力弹塑性分析方法(push-over法)分为两个部分，首先建立结构荷载一位移曲线，然后评估结构的抗震能力，基本工作步骤为：

　　第一步：准备结构数据：包括建立结构模型、构件的物理参数和恢复力模型等;

　　第二步：计算结构在竖向荷载作用下的内力;

　　第三步：在结构每层的质心处，沿高度施加按某种分布的水平力，确定其大小的原则是：水平力产生的内力与前一步计算的内力叠加后，恰好使一个或一批件杆开裂或屈服;在加载中随结构动力特征的改变而不断调整的加载模式是比较合理有效的模式。

　　第四步：对于开裂或屈服的杆件，对其刚度进行修改后，再增加一级荷载，又使得一个或一批杆件开裂或屈服。

　　不断重复第三步、第四步，直到结构达到某一目标位移(对于普通push-over方法)、或结构发生破坏(对于能力谱设计方法)，push-over方法确定结构目标位移时，都要将多自由度结构体系等效为单自由度体系。

　　对于结构振动以第一振型为主、基本周期在2sec以内的结构，push-over方法能够很好地估计结构的整体和局部弹塑性变形，同时也能揭示弹性设计中存在的隐患(包括层屈服机制、过大变形以及强度、刚度突变等)。研究成果和工程应用表明，在一定适用范围内push-over方法能够较为准确地反映结构的非线性地震反应特征，对于层数不太多或者自振周期不太长的结构，不失为一种可行的弹塑性简化分析方法。

　　静力弹塑性分析方法的特点：(1)由于在计算时考虑了结构的塑性，可以估计结构的非线性变形和出现塑性铰的部位;(2)较弹塑性时程分析法，其输人数据简单，工作量较小，计算时间短。

　　对于二维push-over方法，随着加载模式、目标位移以及需求谱等方面的日趋完善，应用于规则结构的抗震性能评估，能够较好地满足工程设计要求。但是，随着建筑造型和结构体型复杂化，某些结构平面和竖向质量、刚度不均匀，因此将结构简化为二维模型分析将不能正确模拟结构的反应，尤其是对于远离结构刚度中心的边缘构件更是如此，因此，push-over方法向三维发展是必然趋势。

　　对于长周期结构和高柔的超高层建筑，push-over方法不再适用。

　　本文内容来源于新浪强劲动力的博客(2010-03-13)。