影响框架结构抗震性能的因素浅析

影响框架结构抗震性能的因素浅析
摘要：建筑结构抗震设计在框架结构设计中的地位日益重要，文章对影响工业与民用框架结构抗震性能的因素进行了简要的总结，为了减轻地震对建筑物顶部突出部分的破坏作用及影响，文章通过简要阐释，得出地震荷载作用下，结构的“鞭梢效应”产生的原因和条件，并为结构抗震设计提出建议。

关键词：建筑结构；刚度；延性；主振型；鞭梢效应建筑结构具有很多形式，包括砌体结构、框架结构、框架剪力墙结构、剪力墙结构、索膜结构、筒体结构等，不同的结构形式，其抗震性能有明显的不同。

建筑的抗震等级一般是由多层和高层钢筋混凝土结构、构件进行抗震设计计算和确定并最终构造措施的标准。

为了抗震设计的安全可靠与经济合理，应充分考虑多方面因素及各种不同情况，并且针对钢筋混凝土结构、构件的抗震要求，在计算和构造上应区别对待。

因此，地震作用越大（或房屋高度越大），抗震要求亦越高；对于不同的结构体系，应有不同的抗震要求。

此外，同一结构中的不同部位以及同一种结构形式在不同结构体系中所起的作用不同，其抗震要求也应有所区别。

例如，在框架结构中，框架是主要抗侧力构件，而在框架一抗震墙结构中，框架是次要抗侧力构件（抗震墙是主要抗侧力构件），因此框架结构中的框架应比框架一抗震墙结构中的框架抗震要求高。

又如，在部分框支抗震墙结构中，框支层由于刚度和强度的削弱，往往成为塑性变形集中的薄弱楼层，因此其落地抗震墙底部加强部位的抗震要求就应高于一般抗震墙的抗震要求。

为此，我国抗震规范和高层规程综合考虑建筑抗震重要性类别、地震作用（包括区分设防烈度和场地类别）、结构类型（包括区分主、次抗侧力构件）和房屋高度等因素，对钢筋混凝土结构划分了不同的抗震等级。

抗震等级的高低，体现了对抗震性能要求的严格程度。

不同的抗震等级有不同的抗震计算方法及相应的构造措施要求，从最高等级四级到一级，抗震要求依次提高；高层规程中还规定了抗震等级更高的特一级。

对于砌体结构，由于整体性比较差，抗震性能较差，对其进行科学的配筋，可有效的提高其抗震性能，但也只限于多层建筑，已经逐渐退出建筑市场。

框架结构其具有较大的刚度，用自身的刚度进行抗震，但是在水平地震作用下框架结构将发生侧向变形，由于框架结构的整体抗侧刚度对称处理不利，会导致结构整体在地震过程中产生整体的扭转，发生复合破坏，因此，框架结构对抗震来说并不理想。

根据此种问题，产生框架剪力墙结构、筒体结构，在抗震性能上有明显的提高，成为高层建筑的首选结构形式。

1 问题的提出
随着高层建筑的建造，高层建筑抗震在建筑设计中占有很大的比重，由于地震作用的复杂性于人类对地震规律认识的局限性，目前对建筑物的抗震设计水平还停留在一个初步的阶段，尚无法做出精确的计算，现有的地震作用力的计算方法和结构抗震设计的计算大都是近似方法。

因此结构设计对抗震的设计内容应包括概念设计与计算设计两方面，本文论述就属于概念设计的理论阐述，建筑物结构抗震设计应考虑到在六度与九度范围内设防，不同场地根据不同的烈度进行地震作用力计算与截面抗震验算，同时应符合相应的抗震构造要求。

2 两种抗震因素分析
地震作用力实际上是建筑物对地面运动的反应，他与许多因素有关。

人们针
对建筑结构的不同配以不同的计算方法，例如，高层建筑物地震作用力的计算宜采用振型分解反应谱法，对刚度和质量不对称的结构采用扭转藕连震动影响的振型分解反应谱法，此外还有剪力法计算，对于甲类高层建筑，较高的高层建筑。

复杂的高层建筑物，以及刚度和质量分布特别不均匀的高层建筑，还要采用时程分析法进行多遇和罕遇水平地震作用下的计算。

可见地震计算相当繁琐，相比之下地震的概念分析显得生动易懂，对于非专业学生了解结构抗震设计有很好的益处。

下面介绍概念设计中的两种抗震因素分析。

我国是一个地震多发的国家，设计时需要充分考虑抗震设防的区域辽阔，因此，研究结构的抗震性能在我国具有充分的必要性。

我国的现代抗震设计理念是从20世纪50年代开始，在国际抗震理论的推动下发展起来，并逐渐形成了自己的地域特色，大部分内容都符合现代抗震设计理念，下面就结构抗震理论中的影响抗震性能的两方面因素进行简要的论述。

2.1 延性
结构、构件或截面的延性是指从屈服开始至达到最大的承载能力以后而承载力还没有发生显著下降变化的变形能力，它反映了结构、构件或截面的后期变形能力。

延性差的结构、构件或截面，其后期变形能力小，所以在达到最大承载力后，它会突然发生脆性破坏，这是必须要避免的。

因此，在工程结构抗震设计中，不仅要满足承载力要求，还要满足一定的延性要求。

目的是为了有利于吸收和耗散地震能量，从而满足抗震设计方面的要求。

对于有抗震设防的结构，其抗震性主要取决于结构所能吸收的地震能量，它等于结构承载力和变形能力的乘积，也就是说，结构的耐震能力是由承载力和变形能力共同决定的。

因此，在抗震设计中，应充分考虑和利用结构的变形能力（延性）以及耗散地震能量的能力。

大量的研究成果表明，一个结构具有较大延性或较高耗能能力的话，即使其承载力较低，也能够吸收较多能量，从而抗御较强地震而不会倒塌。

在地震的作用下，一味的追求结构的强度并不可取，结构的延性也非常的重要，值得我们注意的是，依据我国的抗震设计基本原则，通俗来说即：小震不坏，中震可修，大震不倒，我们只能从概率的角度出发，使结构在一定的概率保证下能够安全的发挥作用，通常我们只需要按小震的作用效应和其他的荷载进行组合，验算结构的抗震承载力和弹性变形能力。

中震效应用结构本身的延性来抵抗，所以结构的延性对结构的抗震具有十分重要的作用。

合理的设计结构的延性之后，再通过结构本身的设计，采用结构抗震系统的一系列措施保证结构的抗震承载力，抗震措施包括强柱弱梁，强剪弱弯，强节点若锚固，以及抗震构造措施等。

2.2 刚度结构或构件抵抗弹性变形的能力称为刚度。

刚度在结构抗震中起十分重要的作用，设计者通过选取不同的结构形式来控制建筑物刚度的大小。

例如框架结构的刚度相比框架剪力墙结构的刚度要小，在地震荷载作用下容易产生较大的变形，不利于抗震。

结构的刚度主要影响的是结构本身的自振周期，结构的自振周期只与结构的刚度和质量有关，两个外表相似的结构，如果周期相差很大，其动力性能也有很大的差别，避免动力性能相近是为了避免共振的产生，而共振对于结构抗震来说是致命的，一个优秀的结构工程师通过对结构合理的布局有效的避免由于不合理的刚度分布带来的不利抗震因素。

下面介绍一种常见的由于刚度突然的改变引起的一种抗震常见的破坏形式。

3 鞭梢效应
鞭梢效应根据结构力学中对简单框架结构的主振型分析，当底部的质量和刚度突然减小时，顶部的位移比下部的位移要大的很多，建筑结构中，这种因顶部
质量和刚度的突然地减小，在震动中引起的巨大反响的现象称为鞭梢效应。

地震灾害调查中发现，屋顶的小阁楼，女儿墙等附属结构物破坏严重，就是因为顶部质量和刚度的突变，有鞭梢效应引起的结果。

在地震的作用下，在每一个来回的转折的瞬间，形成较大的速度，产生较大的位移，就像鞭子尖一样“甩动”。

事实上，地上的建筑物就是整个大地的“突出物”塔楼就是大底盘裙房的“突出物”同样屋顶的构筑物就是主体建筑物的“突出物”因此所有的这些“突出物”的手里和运动构成相对于他们的下不来说都属于变少效应。

本质上来说，可以从地震波的传递角度来理解鞭梢效应。

地震波的传递构成中由大的振幅向晓得振幅转变，将产生剧烈的反应，从而产生巨大的位移，超出结构材料的极限拉压应变，造成结构破坏。

4 建议
避免鞭梢效应，可以从内力计算、抗震措施、概念设计和薄弱层简化来改变。

借助不同类型的放大系数来减小鞭梢效应的影响。

大量学者和工程师对鞭梢效应进行研究，一般来说从详细设计阶段考虑多建议采用完整的空间模型进行结构分析，包括动力弹性，弹塑性分析以及精确的对鞭梢效应进行分析。

从初步设计的角度出发，更希望采用便捷和具有足够安全性的设计方式，但是无论采用什么方式做设计，抗震措施和概念设计必须格外重视。

5 结语
在结构抗震设计中，建筑物的延性和刚度对建筑物的抗震性能有十分重要的影响，并且要避免由于刚度突变带来的鞭梢效应对结构抗震性能的影响。

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