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【摘要】：本文从结构动力学的角度，分析地震波和地震的地面运动特性和规律，重点讲述几种抗震设计的分析方法——静力弹塑性分析法、时程分析法（弹性与弹塑性）和反应谱分析法。
【关键词】：地震反应;抗震分析;抗震设计
地震和震害的研究是结构抗震分析的前提和基础，直接影响着抗震设计的方法，本文从结构动力学的角度，分析地震波和地震的地面运动特性和规律，重点讲述几种抗震设计的分析方法——静力弹塑性分析法、时程分析法（弹性与弹塑性）和反应谱分析法。
建筑结构的抗震设计一般按照以下五个步骤进行：抗震的设防标准选定、抗震的概念设计、地震反应分析、抗震性能验算以及抗震构造设计。本文着眼于地震反应分析出发，简单介绍3种最常用的结构相应分析方法，对基本概念和适用范围、抗震设计规范中存在的问题。
一、分析方法
1、常用结构分析方法1——底部剪力法
定义：根据地震反应谱理论，以工程结构底部的总地震剪力与等效单质点的水平地震作用相等来确定结构总地震作用的一种计算方法。
适用于基本振型主导的规则和高宽比很小的结构，采用简化的方式也可满足工程设计精度的要求。
通过底部剪力法的分析理念，简化的估算出建筑结构的地震响应，在静力的概念上把握结构的抗震能力，便于结构抗震概念设计。
高规规定：高度不超过40m、以剪切变形为主且质量和刚度沿高度分布比较均匀的高层建筑结构，可采用底部剪力法。
2、常用结构分析方法2——振型分解反应谱法
定义：是用来计算多自由度体系地震作用的一种方法。该法是利用单自由度体系的加速度设计反应谱和振型分解的原理，求解各阶振型对应的等效地震作用，然后按照一定的组合原则对各阶振型的地震作用效应进行组合，从而得到多自由度体系的地震作用效应。该法一般可考虑为计算两种类型的地震作用：不考虑扭转影响的水平地震作用和考虑平扭藕联效应的地震作用。
反应谱的振型分解组合法常用的有两种：SRSS和CQC。一般而言，对于那些对结构反应起重要作用的振型所对应频率稀疏的结构，并且地震此时长，阻尼不太小（工程上一般都可以满足）时，采用SRSS比较精确，频率稀疏表面上的反应就是结构的振型周期拉的比较开;而对于那些结构反应起重要作用的振型所对应的频率密集的结果（高振型的影响较大，或者考虑扭转振型的条件下），采用CQC比较精确。
高规规定：高层建筑结构宜采用振型分解反应谱法。对质量和刚度不对称、不均匀的结构以及高度超过100m的高层建筑结构应采用考虑扭转耦联振动影响的振型分解反应谱法。
3.常用结构分析方法3——时程分析法
定义：由结构基本运动方程沿时间历程进行积分求解结构振动响应的方法。
理论上时程分析是最准确的结构地震响应分析方法，但是由于其分析的复杂性，且地震波的随机性，因此一般只是把它作为反应谱的验证方法而不是直接的设计方法使用。
高规规定：7～9度抗震设防的高层建筑，下列情况应采用弹性时程分析法进行多遇地震下的补充计算：1）甲类高层建筑结构;2）表3.3.4所列的乙、丙类高层建筑结构;3）不满足本规程第4.4.2～4.4.5条规定的高层建筑结构;4）本规程第10章规定的复杂高层建筑结构;5）质量沿竖向分布特别不均匀的高层建筑结构。
4.反应谱分析与时程分析对于高阶振型计算的不同之处
一般反应谱的高频段是采用平台段来表达的，实际上对于高阶振型反应不显著的结构而言，反应谱适用性很好，也足够准确。但是对于高柔结构而言，一般高阶振型的影响比较显著，采用时程分析的时候，等于其高频段的峰值并未被人为削成平台段，因此采用时程分析的时候此频段的地震响应可能很大，一般表现为高层建筑的顶部或者对其他结构对高阶振型影响显著部位，其地震响应峰值比反应谱分析结果要大（但是总体的剪力和弯矩差别则没这么明显）。
二.现有抗震设计规范中存在的问题
通过对不同规范的比较，以及参考其它文献。目前在我国的抗震设计规范中还存在以下有待深入研究解决的问题：
1.长周期反应谱问题
随着我国经济建设发展，高耸结构和大跨度桥梁建设的飞速发展迫切需要解决长周期反应谱取值问题。建规反应谱截止周期是6s，公规的截止周期是5s。而目前已有很多工程结构的基本周期远远超过了规范的截止周期，规范反应谱已经不能满足超高层建筑和大跨度桥梁抗震反应谱分析的要求。
2.阻尼修正问题
阻尼比不仅影响反应谱的形状，而且对反应谱不同周期段的影响程度是不一样的，总的趋势是阻尼对长周期部分反应谱的影响小，对高频部分影响大。阻尼比取值或者不同振型阻尼比取值的不同将会直接影响到地震反应的计算结果。而且，随着建规控制技术、减震耗能措施的大量推广应用，结构中不同构件间的阻尼比会有很大变化。目前，建规中已经考虑了阻尼的影响采用了一个阻尼调整系数进行调整。而公规中还是以5%的临界阻尼比为依据。因此，迫切需要针对不同结构阻尼比对反应谱进行修正。
3.位移反应谱
目前的抗震设计方法实质上是基于强度的设计方法，结构设计先通过弹性设计确定结构的设计强度水平，并利用结构的延性能力弥补结构强度的不足。在延性设计方法中，延性主要用于结构变形验算，并不作为设计目标。对于超高层建筑和大跨度桥梁等长自振周期的结构，实际强震记录计算表明，反应谱长周期段衰减很快，当T→∞是，结构主要受位移控制。因此有必要发展基于位移的设计方法。
4.反应谱组合方法
但前反应谱组合方法主要是基于单分量地震作用下的振型组合问题，从大跨度桥梁抗震分析角度来看，发展不同地震动分量作用下和多点激励下的地震反应振型组合是规范中有待完善的地方。
5.考虑地震动持时和能量
地震动持时和能量输入对结构的弹塑性地震反应及累积损伤的影响已为地震工程界所共识，有学者提出了各种计算持时和能量以及如何考虑结构破坏乃至倒塌的方法。但如何以规范条文形式来规范这些算法使其最终成为实用的设计方法仍有待进一步努力。
6.抗震设计方法的改进
现行规范采用的反应谱方法存在着缺陷，对于超高、大跨度等长周期结构无能为力，只好以规定最小地震作用的办法解决。因此应发展相应的抗震计算方法。目前，比较热门的研究方向是采用能量设计方法和随机振动理论进行抗震设计。
总而言之，目前常用的几种结构地震反应分析方法虽各有优势，但也受适应范围都限制，有些疑难问题无法精确解决。因此我们在结构抗震设计时不能简单的按照一般步骤（图1）完成，应该首先要从概念设计出发，选择整体结构抗震设计方式，并进行性能评估，然后才进行分析，最后还要进行性能验算和构造设计，以弥补现行分析方法的不足，保证结构设计的安全。
[1] 李爱群;丁幼亮.工程结构抗震分析[M].北京：高等教育出版社，2010.01
[2] 李国强.建筑结构抗震设计第二版[M].北京：中国建筑工业出版社，2008.02
【关键词】：地震反应;抗震分析;抗震设计
地震和震害的研究是结构抗震分析的前提和基础，直接影响着抗震设计的方法，本文从结构动力学的角度，分析地震波和地震的地面运动特性和规律，重点讲述几种抗震设计的分析方法——静力弹塑性分析法、时程分析法（弹性与弹塑性）和反应谱分析法。
建筑结构的抗震设计一般按照以下五个步骤进行：抗震的设防标准选定、抗震的概念设计、地震反应分析、抗震性能验算以及抗震构造设计。本文着眼于地震反应分析出发，简单介绍3种最常用的结构相应分析方法，对基本概念和适用范围、抗震设计规范中存在的问题。
一、分析方法
1、常用结构分析方法1——底部剪力法
定义：根据地震反应谱理论，以工程结构底部的总地震剪力与等效单质点的水平地震作用相等来确定结构总地震作用的一种计算方法。
适用于基本振型主导的规则和高宽比很小的结构，采用简化的方式也可满足工程设计精度的要求。
通过底部剪力法的分析理念，简化的估算出建筑结构的地震响应，在静力的概念上把握结构的抗震能力，便于结构抗震概念设计。
高规规定：高度不超过40m、以剪切变形为主且质量和刚度沿高度分布比较均匀的高层建筑结构，可采用底部剪力法。
2、常用结构分析方法2——振型分解反应谱法
定义：是用来计算多自由度体系地震作用的一种方法。该法是利用单自由度体系的加速度设计反应谱和振型分解的原理，求解各阶振型对应的等效地震作用，然后按照一定的组合原则对各阶振型的地震作用效应进行组合，从而得到多自由度体系的地震作用效应。该法一般可考虑为计算两种类型的地震作用：不考虑扭转影响的水平地震作用和考虑平扭藕联效应的地震作用。
反应谱的振型分解组合法常用的有两种：SRSS和CQC。一般而言，对于那些对结构反应起重要作用的振型所对应频率稀疏的结构，并且地震此时长，阻尼不太小（工程上一般都可以满足）时，采用SRSS比较精确，频率稀疏表面上的反应就是结构的振型周期拉的比较开;而对于那些结构反应起重要作用的振型所对应的频率密集的结果（高振型的影响较大，或者考虑扭转振型的条件下），采用CQC比较精确。
高规规定：高层建筑结构宜采用振型分解反应谱法。对质量和刚度不对称、不均匀的结构以及高度超过100m的高层建筑结构应采用考虑扭转耦联振动影响的振型分解反应谱法。
3.常用结构分析方法3——时程分析法
定义：由结构基本运动方程沿时间历程进行积分求解结构振动响应的方法。
理论上时程分析是最准确的结构地震响应分析方法，但是由于其分析的复杂性，且地震波的随机性，因此一般只是把它作为反应谱的验证方法而不是直接的设计方法使用。
高规规定：7～9度抗震设防的高层建筑，下列情况应采用弹性时程分析法进行多遇地震下的补充计算：1）甲类高层建筑结构;2）表3.3.4所列的乙、丙类高层建筑结构;3）不满足本规程第4.4.2～4.4.5条规定的高层建筑结构;4）本规程第10章规定的复杂高层建筑结构;5）质量沿竖向分布特别不均匀的高层建筑结构。
4.反应谱分析与时程分析对于高阶振型计算的不同之处
一般反应谱的高频段是采用平台段来表达的，实际上对于高阶振型反应不显著的结构而言，反应谱适用性很好，也足够准确。但是对于高柔结构而言，一般高阶振型的影响比较显著，采用时程分析的时候，等于其高频段的峰值并未被人为削成平台段，因此采用时程分析的时候此频段的地震响应可能很大，一般表现为高层建筑的顶部或者对其他结构对高阶振型影响显著部位，其地震响应峰值比反应谱分析结果要大（但是总体的剪力和弯矩差别则没这么明显）。
二.现有抗震设计规范中存在的问题
通过对不同规范的比较，以及参考其它文献。目前在我国的抗震设计规范中还存在以下有待深入研究解决的问题：
1.长周期反应谱问题
随着我国经济建设发展，高耸结构和大跨度桥梁建设的飞速发展迫切需要解决长周期反应谱取值问题。建规反应谱截止周期是6s，公规的截止周期是5s。而目前已有很多工程结构的基本周期远远超过了规范的截止周期，规范反应谱已经不能满足超高层建筑和大跨度桥梁抗震反应谱分析的要求。
2.阻尼修正问题
阻尼比不仅影响反应谱的形状，而且对反应谱不同周期段的影响程度是不一样的，总的趋势是阻尼对长周期部分反应谱的影响小，对高频部分影响大。阻尼比取值或者不同振型阻尼比取值的不同将会直接影响到地震反应的计算结果。而且，随着建规控制技术、减震耗能措施的大量推广应用，结构中不同构件间的阻尼比会有很大变化。目前，建规中已经考虑了阻尼的影响采用了一个阻尼调整系数进行调整。而公规中还是以5%的临界阻尼比为依据。因此，迫切需要针对不同结构阻尼比对反应谱进行修正。
3.位移反应谱
目前的抗震设计方法实质上是基于强度的设计方法，结构设计先通过弹性设计确定结构的设计强度水平，并利用结构的延性能力弥补结构强度的不足。在延性设计方法中，延性主要用于结构变形验算，并不作为设计目标。对于超高层建筑和大跨度桥梁等长自振周期的结构，实际强震记录计算表明，反应谱长周期段衰减很快，当T→∞是，结构主要受位移控制。因此有必要发展基于位移的设计方法。
4.反应谱组合方法
但前反应谱组合方法主要是基于单分量地震作用下的振型组合问题，从大跨度桥梁抗震分析角度来看，发展不同地震动分量作用下和多点激励下的地震反应振型组合是规范中有待完善的地方。
5.考虑地震动持时和能量
地震动持时和能量输入对结构的弹塑性地震反应及累积损伤的影响已为地震工程界所共识，有学者提出了各种计算持时和能量以及如何考虑结构破坏乃至倒塌的方法。但如何以规范条文形式来规范这些算法使其最终成为实用的设计方法仍有待进一步努力。
6.抗震设计方法的改进
现行规范采用的反应谱方法存在着缺陷，对于超高、大跨度等长周期结构无能为力，只好以规定最小地震作用的办法解决。因此应发展相应的抗震计算方法。目前，比较热门的研究方向是采用能量设计方法和随机振动理论进行抗震设计。
总而言之，目前常用的几种结构地震反应分析方法虽各有优势，但也受适应范围都限制，有些疑难问题无法精确解决。因此我们在结构抗震设计时不能简单的按照一般步骤（图1）完成，应该首先要从概念设计出发，选择整体结构抗震设计方式，并进行性能评估，然后才进行分析，最后还要进行性能验算和构造设计，以弥补现行分析方法的不足，保证结构设计的安全。
[1] 李爱群;丁幼亮.工程结构抗震分析[M].北京：高等教育出版社，2010.01
[2] 李国强.建筑结构抗震设计第二版[M].北京：中国建筑工业出版社，2008.02