刘天君
四川成都 610000
摘要：相较于建筑主体结构抗震的技术积累，建筑机电抗震技术的发展还存在诸多短板，特别是优化设计与智能监测技术国内尚属空白。准确计算地震作用是建筑机电抗震设计最基本的要求。本文旨在于建立一套系统的抗震支吊架整体与局部抗震优化设计方法，以弥补目前等效侧力法在抗震设计精准性和适用性方面的短板。研究抗震支吊架的动力特性，统计其自振周期的分布区间。在此基础上，分析等效侧力法、时程分析法、楼面反应谱法这三种抗震支吊架整体抗震分析方法的基本原理和适用性，并针对时程分析法和楼面反应谱法的局限性，提出一种操作性更强的分析方法--简化振型分解反应谱法。
关键词：建筑机电抗震；抗震优化设计；分解反应谱法；
1引言
我国是一个地震活动频率高、强度大、震源浅、分布广、震灾严重的国家，我国的土地面积占全球7％，但强震数量却占全球大陆强震的33％，是世界上大陆强震最多的国家。在我国，有41％的国土、50％的城市、67％的特大城市处于地震设防烈度 7 度及以上。建筑进行抗震设计理所应当地成为维护社会稳定和保护人民财产安全的头等大事。传统建筑抗震设计是基于承载力要求的“小震不坏，中震可修，大震不倒”的抗震设计准则，这样设计的目的是为了满足在地震作用下建筑结构主体的安全性。然而，对于建筑附属设施的抗震没有做出明确的规定，因此在建筑抗震设计中机电抗震成为了一个被人忽视的重要环节。为提高建筑非结构构件特别是机电设施及管线抵抗地震的能力，我们必须对建筑非结构构件进行抗震设计。
2整体地震作用分析方法
2.1 等效侧力法
等效侧力法本质是拟静力分析方法，其计算分析过程简便快捷，非常适合工程设计人员掌握和使用。但是，由于等效侧力法是拟静力分析方法，也会导致其计算精度存在较大的误差。根据研究成果，当附属系统的基本周期在0.06s到1.4倍的建筑物基本周期范围内时，计算的地震作用偏小，应采用楼面反应谱法或者时程分析法进行附属系统的抗震设计。《建筑机电工程抗震设计规范》（GB50981-2014）第3.4.4条也指出，建筑机电设备（含支架）的基本周期大于0.1s，且重力大于所在楼层重力的1%，或建筑机电设备的重力大于所在楼层重力的10%时，不宜采用等效侧力法，应采用楼面反应谱法或者时程分析法进行计算。上述两种情况都指出了等效侧力法在某些情况下计算结果偏小的问题。但对于建筑抗震支吊架来说，一般情况下抗震支吊架的基本周期很小。此时，采用等效侧力法计算的地震作用明显大于楼面反应谱法或者时程分析法的计算结果，计算的地震作用过于保守。等效侧力法和楼面反应谱法的对比，当附属系统的自振周期小于0.06s时，等效侧力法计算的地震作用相比楼面反应谱法普遍增大40%~50%以上。
2.2 时程分析法
时程分析法在建筑结构抗震设计中应用已较为成熟，我国《建筑抗震设计规范》（GB50011-2010）明确规定，对于重要、超高或有薄弱部位的结构，采用时程分析法进行多遇地震下的补充计算或罕遇地震作用下薄弱层的弹塑性变形验算。时程分析法经过多年发展，在地震波输入方面研究成果较多。输入地震动参数采用符合场地情况、具有概率意义的加速度过程，对于复杂结构可以考虑地震动三个分量的时间过程及其空间相关性。
针对地震波的选取原则，我国《建筑抗震设计规范》在弹性时程分析时，每条时程曲线计算所得结构底部剪力均应超过振型分解反应谱法计算结果的65%，多条时程曲线计算所得结构底部剪力的平均值均应大于振型分解反应谱法计算结果的80%。因此，地震波的输入问题对于建筑抗震支吊架的地震作用计算来说，可以说实现难度较小。然而，目前时程分析法在建筑抗震支吊架的地震作用计算上应用仍然较少，如何建立地震作用下建筑结构-抗震支吊架耦合动力计算模型是核心问题。抗震支吊架的动力时程分析要考虑地震作用下的最不利情况。
2.3楼面反应谱法
随机振动法和时程分析法是建立楼面反应谱两种主要的方法。随机振动法是在地面反应谱的基础上直接建立楼面反应谱，虽然方便快捷，但是理论上很难推导出两者的转换关系，并且楼面反应谱不易通过常用有限元分析软件来生成，这些问题都一定程度地限制了随机振动法在实际工程中的应用。利用时程分析法建立楼面反应谱，首先需要根据抗震设防烈度、设计地震分组和场地土类别等因素选择一系列地震波；其次在这一系列地震波作用下，计算某楼层上不同自振周期的抗震支吊架各自的最大加速度反应；最后采用统计学的方法建立楼面反应谱。如此繁琐复杂的计算过程同样也限制了时程分析法的工程应用。最关键的是以上两种方法应用普适性较差，它们只能建立适用于某建筑具体楼层的楼面反应谱，不适用于同一建筑的所有楼层，因为理论上对于不同建筑结构的不同楼层其对应的楼面反应谱是不一样的。
3. 简化振型分解反应谱法
通过以上分析可以明显发现时程分析法和楼面反应谱法都存在各自的工程应用局限性，因此，为弥补缺陷，本小节将研究一种兼具操作性、精准性和适用性的简化振型分解反应谱法。其实，计算抗震支吊架地震作用最关键的是求得各支吊架的加速度，通过大量计算分析发现，在部分场地土类别和自振周期下，支吊架最大加速度和楼面最大加速度基本相同，而在剩余的其他场地土类别和自振周期下，也存在一定的比例关系。
简化振型分解反应谱法将利用常用有限元分析软件具有的振型分解法功能，求得主体结构各楼层的地震作用，并在此基础上求得各楼层对应的地震加速度，紧接着确定基于楼面加速度的抗震支吊架动力放大系数，最终通过动力放大系数计算出的抗震支吊架加速度，求解其自身的地震作用。等效侧力法的计算结果明显大于时程分析法和简化振型分解反应谱法，这必将导致用此种方法设计的抗震支吊架经济性较差；时程分析法的计算结果比等效侧力法可减小30%~50%，但是计算结果随选取的地震波有较大关联，不同地震波之间计算结果的离散性较大，且计算过程复杂；简化振型分解反应谱法计算结果比等效侧力法可减少30%~40%，比时程分析法略大，但具有良好的经济性。另外，计算过程中所需的过程数据均可用有限元软件自动计算且读取方便。因此，该方法可作为等效侧力法的补充分析方法在建筑机电工程抗震设计中运用。
4.结束语
本文旨在于建立一套系统的抗震支吊架整体与局部抗震优化设计方法，以弥补目前等效侧力法在抗震设计精准性和适用性方面的短板。研究抗震支吊架的动力特性，统计其自振周期的分布区间。在此基础上，分析等效侧力法、时程分析法、楼面反应谱法这三种抗震支吊架整体抗震分析方法的基本原理和适用性，并针对时程分析法和楼面反应谱法的局限性，提出一种操作性更强的分析方法--简化振型分解反应谱法。
参考文献
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作者：刘天君，身份证号：513026196912023058。