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摘要：地震给建筑物带来的损害是巨大的，由此抗震设计成为了结构设计过程中最为重要的环节。进行结构的抗震设计，系统地、全面地、正确地理解结构的振动特性是极为必要的。本文结合结构动力学相关理论，分析了地震对建筑结构的破换机理，并对结构减震和隔振方法进行了研究，旨在为我国建筑抗震结构设计提供帮助。
关键词：结构动力学；建筑结构设计；抗震分析
前言
地震给人民的人身安全和财产安全带来了极大的威胁，最大限度地限制和减轻建筑结构物的地震破坏成为了人们不断研究的课题。通过工程实践发现，结构的地震反应取决于地震动输入的特性和结构的特性，特别是结构的动力特性。随着人们对地震动特性和结构动力特性的了解越来越多，对震害现象的观察越来越深入，以及技术手段越来越先进，结构抗震分析方法也跟着有了很大的发展。从某种意义上来说，结构抗震分析方法是结构动力学理论在地震工程研究领域里的一种延伸、拓展和应用的结果，所以可以说结构动力学是建筑结构抗震分析方法的基础。
1.结构动力学概述
结构动力学是研究动态作用下结构或构件的强度、刚度和稳定性的一门学科。所谓动态作用，是指对结构或构件产生不可忽略的加速度的作用，如突加荷载、吊车荷载、设备振动、地震等。
在结构动力计算中，通常采用静力弹性模量作为动力弹性模量。基于这一原则，计算钢、木结构的刚度就与静力问题完全相同了。至于计算钢筋混凝土构件的动力刚度时，一般可认为整个截面参加工作。由于其受拉与受压的弹性模量相近，一般采用受压弹性模量。当正反向的刚度不同时，可近似地取平均值。确定实际建筑物的刚度比较复杂，因为它不仅取决于主体结构，而且还与各种非承重构件有关，特别是内外墙的影响很大。而这些非承重构件的构造、连接及受力性能往往是不大明确的，因而建筑物的动力刚度很难用计算方法求出。目前比较切实可行的办法，是通过对建筑物大量分阶段（即施工过程中的各阶段）的实测，掌握各种构件对结构刚度的独立的及联合的影响，提出合理计算简图，并根据实测结果反演实测的刚度[1]。
2.地震对建筑的破坏机理
从多次地震灾害的情况来看，各类建筑物遭受的破坏千差万别，原因复杂，因素很多。概括地说，主要原因是强度不够、联结不牢、地基失效所引起。地面运动相当于一种强迫荷载。在发生破坏性地震时，由于地面的强烈振动，特别是水平振动，建筑物在极短的时间内受到极大的动荷载，特别是侧向荷载，因此如果主要承重构件没有足够大的断面，就会因强度不足而造成不同程度的损坏或破坏，直至倒塌。一般在门窗角部易于发生裂缝，主要原因是应力集中；与地震力平行方向的承重墙体，特别是端墙，易于发生斜裂缝、X裂缝，这是主拉应力不足而发生的剪切破坏。柱根一般多出现水平裂缝和错动，这是弯曲破坏和剪切破坏。对于立面突出部分之所以易于破坏，一则是由于应力集中，二则是它不能很好地与主体结构形成整体振动，三则是高振型的影响。尤其值得注意的是许多结构并非截面不够，而是由于联结不牢，支撑不足，延性不够，整体性差而导致的破坏[2]。
地基失效使建筑物造成破坏的问题，近年来已被日益重视。所谓地基失效，主要有两种情况：一是饱和砂土受到强烈振动时，砂处于离散状态，如同液体，丧失承载能力；二是软弱地基、严重不均匀地基在地震时产生过大变形，严重沉降，特别是不均匀沉降，以及地基滑移和地裂、地陷等情况。毫无疑问，处于这两种情况下的建筑物必然发生沉陷、倾斜直至倒塌。显然，这种震害是不可能靠加强上部结构的办法来解决的，而应该选择对建筑物抗震有利的地段为建筑场地。
3.结构动力学在建筑结构中减震应用
3.1隔震结构
（1）隔震结构的原理
一般来说，抗震结构设计的基本方针为：允许出现屈服，即允许出现塑性铰的某些构件，从而能够降低结构的地震反应。但是，由于结构的部分构件发生屈服，结构遭受一定程度的破坏是不可避免的。而隔震结构在地震荷载作用下并不产生任何破坏。所谓隔震结构，最理想的办法就是把结构与地基完全隔离、绝缘，使地震能量不能通过地基传递给结构。但是，从现实情况看，把结构与地基完全隔离、绝缘是不现实的，也是不可能的。
（2）隔振结构设计的特点
首先是刚度小，强度小。在上部结构的柱与下部基础与之间设置隔震层，隔震层内配置各种隔震装置。隔震装置的的刚度、强度与结构本身相比都很小。因此，整个结构的第1自振周期将增大，整个结构成为柔性结构。
其次是变形大，能量吸收大。地震时，隔震装置发生屈服现象，从而使整个结构的变形集中于隔震装置。因此，隔震装置将发生很大的变形，因而其能量吸收能力大。隔震结构的力学特征可以用图1所示的地震反应谱示意图来说明：周期来讲，如果结构的自振周期越大，那么结构在地震荷载作用下的反应加速度就越小，反应位移就越大；就阻尼来讲，如果结构的阻尼越大，那么结构在地震荷载作用下的反应加速度就越小，反应位移就越小[3]。
图1地震反应谱示意图
（3）隔震结构的力学特征
由于在上部结构的柱与基础之间设置能量吸收机构，在地震荷载作用下，隔震结构的变形与一般抗震结构的变形不同。在地震荷载作用下，抗震结构将发生剪切、弯曲、基础回转及基础水平移动等变形，结构本身的变形较大。应当注意，在隔震结构中，叠层橡胶承受很大的轴力。在发生水平变形时，叠层橡胶除轴力之外还将承受很大的剪力。由于水平位移的发生，叠层橡胶的有效支承面积将减小。
3.2减震结构
（1）减震结构的原理
在动荷载作用下，结构反应的放大系数如图2所示。放大系数的大小，与结构的阻尼、外荷载频率与结构的自振频率之比有关。由图2可以看出，在共振点，如果结构的阻尼很小，那么放大系数将变得很大。同样的道理，如果外荷载为地震荷载，那么结构的地震反应将变得很大。隔震结构就是通过使用叠层橡胶，增大结构的自振周期，避免与地震荷载发生共振。由图2还可以看出。如果增大结构的阻尼，也能减小结构的地震反应。但实际上，一般钢结构或钢筋混凝土结构，其本身的粘滞阻尼比只有2%～5%左右，要想增大结构的阻尼，只有人为地在结构上设置高阻尼装置。减震结构就是利用这一原理，在结构上设置一些弹塑性减震器、油压减震器或黏弹性减震器。用来增大结构的等效阻尼，使其能够吸收更多的地震能量，从而减小结构的振动。因此减小结构地震反应的方法只有两个：增大结构阻尼，避免共振。
图2放大系数与阻尼、频率比的关系
（2）能动性减震
在地震荷载作用下，结构将产生地震反应。根据结构地震反应的大小，对结构施加控制力。这种方法称为反馈控制。建筑结构的能动性减震一般都是指这种方法。能动性减震，需要在结构上安置能够检测出结构地震反应的特殊装置，还需要设置随结构反应而发生变化的动力装置。为使这个装置处于随时能够使用的状态。要求对这个装置长期配置电源，并定期进行严格的检查、管理。
被动性减震主要指在结构中只设置减震器，而不设置任何动力装置。所以，从某种意义上来讲，隔震结构也可以看作是减震结构中的一种。被动性减震设计简单、施工方便、经济效果较好，因此被广泛利用。
4.结语
总的来说，在地震发生时，建筑结构需具备保护建筑结构居住者的生命安全，保持建筑结构的财产价值和保持建筑结构的使用功能。通过采取一定的措施，控制建筑结构地震反应，能够有效的减轻结构的地震破坏，，降低结构的地震内力，保障建筑安全。因此相关设计人员需要掌握结构动力学中的基本原理和方法，并不断应用到建筑结构抗震设计中，以提高建筑的经济和社会效益。
参考文献：
[1]运胜涛，陈亦仁.框架结构的隔震设计之抗震性能分析[J].山西建筑，2013，35（26）：53.
[2]侯建娟.建筑结构设计中的抗震设计[J].建筑与结构设计，2013（6）.
[3]李群芳.结构设计全过程中的抗震概念设计[J].福建建设科技，2012，（3）：46-48.
作者简介：
熊清华（1988.10-），男，广西南宁人，研究生，从事建筑结构设计工作。
关键词：结构动力学；建筑结构设计；抗震分析
前言
地震给人民的人身安全和财产安全带来了极大的威胁，最大限度地限制和减轻建筑结构物的地震破坏成为了人们不断研究的课题。通过工程实践发现，结构的地震反应取决于地震动输入的特性和结构的特性，特别是结构的动力特性。随着人们对地震动特性和结构动力特性的了解越来越多，对震害现象的观察越来越深入，以及技术手段越来越先进，结构抗震分析方法也跟着有了很大的发展。从某种意义上来说，结构抗震分析方法是结构动力学理论在地震工程研究领域里的一种延伸、拓展和应用的结果，所以可以说结构动力学是建筑结构抗震分析方法的基础。
1.结构动力学概述
结构动力学是研究动态作用下结构或构件的强度、刚度和稳定性的一门学科。所谓动态作用，是指对结构或构件产生不可忽略的加速度的作用，如突加荷载、吊车荷载、设备振动、地震等。
在结构动力计算中，通常采用静力弹性模量作为动力弹性模量。基于这一原则，计算钢、木结构的刚度就与静力问题完全相同了。至于计算钢筋混凝土构件的动力刚度时，一般可认为整个截面参加工作。由于其受拉与受压的弹性模量相近，一般采用受压弹性模量。当正反向的刚度不同时，可近似地取平均值。确定实际建筑物的刚度比较复杂，因为它不仅取决于主体结构，而且还与各种非承重构件有关，特别是内外墙的影响很大。而这些非承重构件的构造、连接及受力性能往往是不大明确的，因而建筑物的动力刚度很难用计算方法求出。目前比较切实可行的办法，是通过对建筑物大量分阶段（即施工过程中的各阶段）的实测，掌握各种构件对结构刚度的独立的及联合的影响，提出合理计算简图，并根据实测结果反演实测的刚度[1]。
2.地震对建筑的破坏机理
从多次地震灾害的情况来看，各类建筑物遭受的破坏千差万别，原因复杂，因素很多。概括地说，主要原因是强度不够、联结不牢、地基失效所引起。地面运动相当于一种强迫荷载。在发生破坏性地震时，由于地面的强烈振动，特别是水平振动，建筑物在极短的时间内受到极大的动荷载，特别是侧向荷载，因此如果主要承重构件没有足够大的断面，就会因强度不足而造成不同程度的损坏或破坏，直至倒塌。一般在门窗角部易于发生裂缝，主要原因是应力集中；与地震力平行方向的承重墙体，特别是端墙，易于发生斜裂缝、X裂缝，这是主拉应力不足而发生的剪切破坏。柱根一般多出现水平裂缝和错动，这是弯曲破坏和剪切破坏。对于立面突出部分之所以易于破坏，一则是由于应力集中，二则是它不能很好地与主体结构形成整体振动，三则是高振型的影响。尤其值得注意的是许多结构并非截面不够，而是由于联结不牢，支撑不足，延性不够，整体性差而导致的破坏[2]。
地基失效使建筑物造成破坏的问题，近年来已被日益重视。所谓地基失效，主要有两种情况：一是饱和砂土受到强烈振动时，砂处于离散状态，如同液体，丧失承载能力；二是软弱地基、严重不均匀地基在地震时产生过大变形，严重沉降，特别是不均匀沉降，以及地基滑移和地裂、地陷等情况。毫无疑问，处于这两种情况下的建筑物必然发生沉陷、倾斜直至倒塌。显然，这种震害是不可能靠加强上部结构的办法来解决的，而应该选择对建筑物抗震有利的地段为建筑场地。
3.结构动力学在建筑结构中减震应用
3.1隔震结构
（1）隔震结构的原理
一般来说，抗震结构设计的基本方针为：允许出现屈服，即允许出现塑性铰的某些构件，从而能够降低结构的地震反应。但是，由于结构的部分构件发生屈服，结构遭受一定程度的破坏是不可避免的。而隔震结构在地震荷载作用下并不产生任何破坏。所谓隔震结构，最理想的办法就是把结构与地基完全隔离、绝缘，使地震能量不能通过地基传递给结构。但是，从现实情况看，把结构与地基完全隔离、绝缘是不现实的，也是不可能的。
（2）隔振结构设计的特点
首先是刚度小，强度小。在上部结构的柱与下部基础与之间设置隔震层，隔震层内配置各种隔震装置。隔震装置的的刚度、强度与结构本身相比都很小。因此，整个结构的第1自振周期将增大，整个结构成为柔性结构。
其次是变形大，能量吸收大。地震时，隔震装置发生屈服现象，从而使整个结构的变形集中于隔震装置。因此，隔震装置将发生很大的变形，因而其能量吸收能力大。隔震结构的力学特征可以用图1所示的地震反应谱示意图来说明：周期来讲，如果结构的自振周期越大，那么结构在地震荷载作用下的反应加速度就越小，反应位移就越大；就阻尼来讲，如果结构的阻尼越大，那么结构在地震荷载作用下的反应加速度就越小，反应位移就越小[3]。
图1地震反应谱示意图
（3）隔震结构的力学特征
由于在上部结构的柱与基础之间设置能量吸收机构，在地震荷载作用下，隔震结构的变形与一般抗震结构的变形不同。在地震荷载作用下，抗震结构将发生剪切、弯曲、基础回转及基础水平移动等变形，结构本身的变形较大。应当注意，在隔震结构中，叠层橡胶承受很大的轴力。在发生水平变形时，叠层橡胶除轴力之外还将承受很大的剪力。由于水平位移的发生，叠层橡胶的有效支承面积将减小。
3.2减震结构
（1）减震结构的原理
在动荷载作用下，结构反应的放大系数如图2所示。放大系数的大小，与结构的阻尼、外荷载频率与结构的自振频率之比有关。由图2可以看出，在共振点，如果结构的阻尼很小，那么放大系数将变得很大。同样的道理，如果外荷载为地震荷载，那么结构的地震反应将变得很大。隔震结构就是通过使用叠层橡胶，增大结构的自振周期，避免与地震荷载发生共振。由图2还可以看出。如果增大结构的阻尼，也能减小结构的地震反应。但实际上，一般钢结构或钢筋混凝土结构，其本身的粘滞阻尼比只有2%～5%左右，要想增大结构的阻尼，只有人为地在结构上设置高阻尼装置。减震结构就是利用这一原理，在结构上设置一些弹塑性减震器、油压减震器或黏弹性减震器。用来增大结构的等效阻尼，使其能够吸收更多的地震能量，从而减小结构的振动。因此减小结构地震反应的方法只有两个：增大结构阻尼，避免共振。
图2放大系数与阻尼、频率比的关系
（2）能动性减震
在地震荷载作用下，结构将产生地震反应。根据结构地震反应的大小，对结构施加控制力。这种方法称为反馈控制。建筑结构的能动性减震一般都是指这种方法。能动性减震，需要在结构上安置能够检测出结构地震反应的特殊装置，还需要设置随结构反应而发生变化的动力装置。为使这个装置处于随时能够使用的状态。要求对这个装置长期配置电源，并定期进行严格的检查、管理。
被动性减震主要指在结构中只设置减震器，而不设置任何动力装置。所以，从某种意义上来讲，隔震结构也可以看作是减震结构中的一种。被动性减震设计简单、施工方便、经济效果较好，因此被广泛利用。
4.结语
总的来说，在地震发生时，建筑结构需具备保护建筑结构居住者的生命安全，保持建筑结构的财产价值和保持建筑结构的使用功能。通过采取一定的措施，控制建筑结构地震反应，能够有效的减轻结构的地震破坏，，降低结构的地震内力，保障建筑安全。因此相关设计人员需要掌握结构动力学中的基本原理和方法，并不断应用到建筑结构抗震设计中，以提高建筑的经济和社会效益。
参考文献：
[1]运胜涛，陈亦仁.框架结构的隔震设计之抗震性能分析[J].山西建筑，2013，35（26）：53.
[2]侯建娟.建筑结构设计中的抗震设计[J].建筑与结构设计，2013（6）.
[3]李群芳.结构设计全过程中的抗震概念设计[J].福建建设科技，2012，（3）：46-48.
作者简介：
熊清华（1988.10-），男，广西南宁人，研究生，从事建筑结构设计工作。