维普资讯 http://www.cqvip.com 第２６卷第５期 ２００６年ｌ０月 地震工程与工程振动 Ｖｏ１．２６，Ｎｏ．５ ０ｃｔ．２ｏｏ６ ＥＡＲＴＨＱＵＡＫＥ ＥＮＧＩＮＥＥＲＩＮＧ ＡＮＤ ＥＮＧＩＮＥＥＲＩＮＧ ＶＩＢＲＡＴＩＯＮ 文章编号：１０００—１３０１（２００６）０５—００６８—０５ 考虑双向水平地震作用的结构设计问题研究姬淑艳 ，李英民 ，刘立平 ，赖 明 （１．重庆大学土木工程学院，重庆４０００４５；２．建设部科技司，北京１００８３５） ． 摘要：分析了抗震设计中考虑双向水平地震作用的必要性，指出了研究双向地震作用的必要性，通过 国内外规范相关条文的对比指出目前研究有待完善的关键问题和方向，结合近期研究成果对其中几 个值得注意的问题提出建议。 关键词：抗震设计；双向地震作用；扭转；组合方法 中图分类号：Ｐ３１５．９６８ 文献标识码：Ａ Ｓｔｕｄｙ ｏｎ ｂｉ－ｄｉｒｅｃｔｉｏｎａｌ ｓｅｉｓｍｉｃ ａｃｔｉｏｎ ｉｎ ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ ｓｅｉｓｍｉｃ ｄｅｓｉｇｎ ｊｉ Ｓｈｕｙａｎ ，Ｌｉ Ｙｉｎｇｍｉｎ ，Ｌｉｕ Ｌｉｐｉｎｇ ，Ｌａｉ Ｍｉｎｇ （１．Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆＣｉｖｉｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｃｈｏｎｇｑｉｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｃｈｏｎｇｑｉｎｇ４０００４５，Ｃｈｉｎａ；２．Ｍｉｎｉｓｔｒｙ ｏｆＣｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ，Ｂｅｉｊｉｎｇ１００８３５，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ｎｅｃｅｓｓｉｔｙ ｏｆ ｔｈｅ ｃｏｎｓｉｄｅｒａｔｉｏｎ ｏｆ ｂｉ・－ｄｉｒｅｃｔｉｏｎａｌ ｓｅｉｓｍｉｃ ａｃｔｉｏｎ ｉｎ ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ ｓｅｉｓｍｉｃ ｄｅｓｉｇｎ ｉｓ ｄｉｓ・－ ｃｕｓｓｅｄ．Ｓｏｍｅ ｎｅｗ ｄｉｒｅｃｔｉｏｎｓ ａｎｄ ｋｅｙ ｉｓｓｕｅｓ ａｒｅ ｐｏｉｎｔｅｄ ｏｕｔ ｂｙ ｃｏｍｐａｒｉｎｇ ｔｈｅ ｒｅｌａｔｅｄ ｃｏｄｅｓ ｉｎ ｔｈｅ ｗｏｒｌｄ ａｎｄ ｔｈｅ ｐｒｉｍａｒｙ ｓｕｇｇｅｓｔｉｏｎｓ ｏｎ ｔｈｅ ｓｏｌｕｔｉｏｎｓ ｔｏ ｓｏｍｅ ｎｏｔｉｃｅａｂｌｅ ｉｓｓｕｅｓ ａｒｅ ｍａｄｅ ａｃｃｏｒｄｉｎｇ ｔｏ ｔｈｅ ｒｅｃｅｎｔ ｒｅｓｅａｒｃｈ ａｃｈｉｅｖｅ— ｍｅｎｔｓ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｓｅｉｓｍｉｃ ｄｅｓｉｇｎ；ｂｉ—ｄｉｒｅｃｔｉｏｎａｌ ｓｅｉｓｍｉｃ ａｃｔｉｏｎ；ｔｏｒｓｉｏｎ；ｃｏｍｂｉｎｅｄ ｍｅｔｈｏｄ 引言 随着城市建设的发展和建筑功能的需要，复杂体型的多高层建筑日益增多，其复杂性主要表现在结构平 面或（和）立面布置的不规则两方面。这种不规则将导致地震作用下的平扭耦联反应，直接影响结构在地震 中的行为。已有的震害无数次地表明，非规则结构较规则结构在地震中容易受到更大的损伤。这样，扭转耦 联效应使得双向水平地震作用进人分析设计的范畴，而对于非规则结构是否考虑双向水平地震作用是近几 年抗震设计方法研究比较令人关注的问题。 本文就抗震设计中考虑双向水平地震作用的必要性、国内外相关规范的对比等问题进行分析和讨论，指 出目前研究有待发展和完善的关键问题和方向，结合近期研究成果对其中几个值得注意的问题提出初步建 议 １抗震设计考虑双向水平地震作用的必要性 结构设计考虑双向水平地震作用的必要性可从以下几个方面理解： 第一，地震动的本质是空间的。地震时的空间地面运动可以分解为６个分量，包括３个平动分量和３个 收稿日期：２００６—０４—１０；修订日期：２００６—０７～２２ 基金项目：国家自然科学基金项目（５９８７８０５５） 作者简介：姬淑艳（１９６７一），女，讲师，主要从事结构理论分析的科研和教学工作 维普资讯 http://www.cqvip.com ５期 姬淑艳等：考虑双向水平地震作用的结构设计问题研究 转动分量，理论分析结果认为以平动为主。目前，强地震地面运动观测的重点在于平动分量并取得了大量的 观测记录，同时也开展了转动分量的观测研究并取得了观测记录。客观存在的转动分量可能不大，但也是导 致结构产生扭转效应的一个因素。即使仅关注平动分量，也应注意到平动分量之间的相关性，单一、地 考虑一个平动分量的地震作用至少在理论上是忽略了这种相关性的，尽管有时这种简化可能不一定会带来 太大的影响。 第二，结构本身也是空间的。结构在地震作用下的行为表现为空间运动，这种空间作用的程度取决 于结构规则程度、楼板刚度、联接整体性等多个方面，简单地处理为平面结构显然会带来一定误差。对于规 则结构，误差基本上处于可以忽略的水平；对于非规则结构，误差可能就不能忽略了，因此，此类结构的抗震 设计应考虑单向地震作用下的平扭耦联，对于其中更为特殊的（如质量和刚度明显不对称的结构），还应考 虑单向地震作用下的平扭耦联。退一步讲，即使是规则对称结构，由于材料、施工等方面的原因，结构在强震 作用下进行振动也绝非规则对称，且不规则程度随时间发生变化。 第三，震害表明，结构扭转破坏严重。分析显示，双向水平地震的作用将使不规则结构的扭转效应进一 步加剧。据统计，１９９９年９月２１日集集大地震中损坏或倒塌的建筑物中，有相当一部分是由于扭转效 应引发的¨］。无数的震害现象集中地体现出，仅仅考虑单分量地震动输入是不够的 Ｊ。考虑双向水平地震 作用时，结构构件存在着强度和刚度相互影响，这些相互影响使一些不规则结构的反应较单向输入下有明显 提高 ， 。 因此，在条件允许的情况下，结构抗震设计考虑地震输入是有必要的。但地震地面运动和结构反应 的性对于完全规则对称的结构而言实际意义不大，因为规则对称结构在地震作用下的反应仍表现 出明显的平面可分解性，将这类结构假设为平面模型且认为某主轴方向的抗侧力构件仅承担该方向的地震 作用，既接近结构的实际受力机理又符合结构抗震设计的简化原则。而对于非规则结构，由于结构为平扭耦 联反应，简单的平面简化方法将不符合地震中结构的受力情况，需采用空间计算模型并考虑双向水平地震作 用下的扭转效应，否则，过于简化的设计方法将给结构的安全性带来隐患。 ２开展考虑双向水平地震作用的抗震设计研究的必要性 既然结构抗震设计有必要考虑双向水平地震作用，而当今的设计软件对这一问题的考虑仅仅是修改某 个设计参数，那么，需要回答的一个问题是，有必要开展考虑双向水平地震作用的抗震设计方法的研究吗？ 为此，需要考察以下３个方面问题： （１）双向水平地震作用对哪些结构有不可忽略的影响？对哪些方面有影响？有多大的影响？ （２）现行规范规定哪些结构应考虑双向水平地震作用的？其可操作性如何？ （３）现行规范考虑双向水平地震作用的方法（也即是设计软件所遵循的方法）是否合理？ 显然，国内地震工程研究界早已认识到地震动和结构的空间本质，注意到震害现象体现出的地震动 对于结构地震响应的显著影响，并且开展了地震动输入下结构地震反应分析方法的理论和应用研究，从 中得出结论，结构不规则程度越强，双向水平地震作用引起的扭转效应越显著；所考察的扭转效应多集中于 结构层间位移、竖向构件的弯矩和剪力等，几乎没有涉及竖向构件的轴力问题。应该注意的是，地震作 用下的结构弹性反应分析方法在理论研究上已较为成熟，计算机技术的发展也为地震作用下的结构反 应分析奠定了基础，但考虑双向水平地震作用的矛盾主要集中在工程应用上。现行抗震规范 及《高层建 筑混凝土结构技术规程》ＪＧＪ３—２００２（简称高层规程） 已在有关章节对考虑地震作用的结构范围、设 计方法及构造措施等相关问题进行了规定，但这些规定大多参照国外规范 Ｉ９ 的做法，缺乏足够的科研支 持，相关规定前后之间不够连贯。如，抗震规范第５．１．１条要求，质量和刚度分布明显不对称的结构，应计人 双向水平地震作用下的扭转影响；其他情况，应允许采用调整地震作用效应的方法计人扭转的影响。这显然 只是定性界定的范围，实际设计中工程师将难以决定是否计人双向水平地震作用下的扭转影响，规范条文的 可操作性差，规范的准确执行将无从保证。 对比国内外规范关于双向水平地震作用的规定，有助于对以上所提问题的分析。表１给出了几本规范 关于双向水平地震作用的规定的对比。 由表１可见，我国抗震规范、ＵＢＣ９７ｌ 、ＮＥＨＲＰ９７ Ｅｓｌ及ＥＣ８ Ｅ９］对于结构扭转问题及双向水平地震输入采 维普资讯 http://www.cqvip.com ７０ 地震工程与工程振动 ２６卷 用的规定方式大致相同，但具体要求有所不同。 表１ 几本规范有关双向水平地震作用的规定对比 Ｔａｂｌｅ １ Ｂｉ—ｄｉｒｅｃｔｉｏｎａｌ ｓｅｉｓｍｉｃ ａｃｔｉｏｎ ｉｎ ｓｏｍｅ ｃｏｄｅｓ （１）在考虑双向输入的结构范围方面，ＥＣ８的范围相对大一些，要求不符合平面规则性准则（附录规定 的特殊情况除外）且按规定需采用空间模型计算的结构均需考虑双向水平地震作用；ＵＢＣ９７要求在两个主 轴方向均存在扭转不规则的结构需考虑双向地震输入；ＵＢＣ９７与ＮＥＨＲＰ９７均要求对平面不规则类型５（类 似于我国规范中的有斜交抗侧力构件的结构）考虑双向地震输入的正交效应，而我国规范仅要求当相交角 度大于１５。时才分别计算各抗侧力构件方向的水平地震作用，应该说我国规范的处理思路与ＵＢＣ９７及ＮＥ— ＨＲＰ９７对结构两个主轴方向的单向地震作用效应进行组合以考虑最不利地震作用效应的思路基本相同。 （２）关于双向输入下的组合方法，以上四本规范或采用ＳＲＳＳ法或采用输入方向１００％加垂直方向３０％ 的代数和方法。值得注意的是，两个正交方向的反应谱的关系各本规范的规定不尽相同，我国规范取两正交 方向的反应谱成０．８５倍关系，而ＵＢＣ９７与ＥＣ８两正交方向的反应谱相同。 总之．各国规范所规定的结构范围、地震动输人、采用的组合方法不尽相同，我国规范方法的合理性尚有 待考证。 ３需研究的关键问题 从以上的分析不难看出，开展考虑双向水平地震作用的结构抗震设计方法的研究，主要应解决输入、结 构范围、组合方法这三方面问题，即双向水平地震作用的确定、需考虑双向水平地震作用的结构范围界定、双 向水平地震作用下结构的设计方法（如图１所示）。 ３．１双向水平地震动的相关性分析及设计输入的确定 应研究双向水平地震动在幅值、反应谱等方面的相关性，提出可资抗震设计应用的分析结论。 维普资讯 http://www.cqvip.com ５期 姬淑艳等：考虑双向水平地震作用的结构设计问题研究 ７１ 图１ 考虑双向水平地震作用的结构抗震设计研究框图 Ｆｉｇ．１ Ｓｋｅｌｅｔｏｎ ｏｆ ｓｔｕｄｙ ｏｎ ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ ｓｅｉｓｍｉｃ ｄｅｓｉｇｎ ｕｎｄｅｒ ｅａｒｔｈｑｕａｋｅ ａｃｔｏｎ ｉｎ ｔｗｏ ｄｉｒｅｃｔｉｏｎｓ ３．２考虑双向水平地震作用的结构范围界定 要在考察双向水平地震作用下结构反应的影响因素及规律的基础上，给出可行的界定指标，并根据受影 响的程度界定出可不考虑、可简单考虑和需精确考虑的结构范围。即 （１）单双向水平地震作用下结构反应差比的影响因素及规律分析 。在大量分析的基础上，通过考查 对设计有影响的各种效应，研究影响单向与双向水平地震作用反应差比（反应差与单向反应之比）的结构因 素，分析其规律； （２）界定指标的确定； （３）双向水平地震作用不同设计方法的结构范围界定 界定出可不考虑双向水平地震作用的结构范 围、可仅考虑采用简化方法的结构范围和需采用精确计算方法的结构范围。 ３．３双向水平地震同时作用下的结构计算方法研究 针对可简单考虑和需精确考虑的结构展开计算分析方法的研究，并进行必要的验证。即 （１）简化计算方法 针对可采用简化方法的结构，根据大量的分析结果提出可仅在现有单向水平地 震作用分析结果的基础上，对部分构件（如边缘构件）进行内力和变形修正的调整系数法； （２）精确计算方法——振型分解反应谱法 针对需精确分析的结构，研究双向水平地震输入下结构 效应的振型分解反应谱法，重点在于考查振型组合方式及组合系数，给出适当的振型组合表达式。 ４几点建议 按照上述研究思路，作者进行了一些理论和计算分析 卜”Ｊ。下面指出４个值得注意的问题： （１）输入问题。基于大量强震观测记录的统计结果显示，双向水平地震分量在幅值、反应谱和持时等特 性方面均存在一定的相关性…。我国现行规范考虑了两分量加速度峰值之问成０．８５倍的平均统计结果，但 没有考虑两方向反应谱的差别。应该说，考虑反应谱的差别是更合理的要求，但将导致设计工作量的大量增 加，是不太可行的。更何况，地面运动的主轴与结构主轴并无直接关系。而且，双向水平地震分量的习惯性 也可以通过效应组合方法中组合系数的调整予以体现，因此，从设计工作的简单原则出发，目前规范仅考虑 峰值相关的做法是可行的。 （２）轴力问题。以往关于结构扭转效应的考察多集中于结构层间位移、竖向构件的弯矩和剪力等方面， 很少注意轴力的变化。作者的分析表明＿ｌ ，对于不规则结构的竖向构件尤其是对于边缘构件，双向水平地 维普资讯 http://www.cqvip.com ７２ 地震工程与工程振动 震作用下的轴力比单向水平地震作用下的轴力大很多，其增幅的程度甚至比剪力大许多，对于此类构件的设 计有较大影响。这是一个值得引起注意的问题。 （３）结构界定指标问题。影响结构扭转的因素很多，也很复杂。虽然扭转越不规则越应考虑双向水平 地震作用，但如果按照现行规范的方法进行计算，进而根据考虑双向水平地震作用后结构效应增幅的程度来 给出定量划分指标的话，这是值得商榷的，因为规范关于双向地震作用的计算方法还需要验证。 （４）组合问题。从国内外规范关于双向水平地震效应的组合方法来看，这些方法都是简化方法，基于随 机过程理论推导的公式非常繁琐、复杂。根据作者的计算分析¨ ，认为我国规范所采用的平方和开平方的 组合方法在计算构件弯矩和剪力等多数情况下和其他规范的方法差别不大，但在计算构件轴力时却有很大 差别，在这种情况下采用两方向效应直接叠加的组合方法更接近实际。 参考文献： ｆ１ １ 李英民．工程地震动的模型化研究［Ｄ］．重庆：重庆建筑大学，１９９９． ［２］ 李宏男．结构抗震理论与设计方法［Ｍ］．北京：科学出版社，１９９８． ［３］ 李杰，李国强．地震工程导论［Ｍ］．北京：地震出版社，１９９２． 『４］ 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