抗震分析方法：理论背景

地震分析方法是地震工程中的基本工具，使工程师能够评估建筑物和基础设施对地震力的结构响应。每种方法在复杂性、准确性和计算需求上各不相同，以满足不同的设计情景、结构复杂性和地震区域。

本文提供了关于基本地震分析方法的全面概述，解释了其原理和应用，以及在哪些情形下它们最为有效。一旦您了解了这些概念，您可以阅读我们的下一篇知识库文章，该文章展示了如何使用RFEM 6/RSTAB 9的相应附加模块来实施这些方法。

静态分析

等效侧向力法

这种方法是估算地震力的最简单方法之一，广泛用于结构规则、对称配置且高度相对有限的建筑物。对于这种结构，第一模态的贡献通常是主导的，第一模态形状的模态参与质量比通常超过70-80%，因此仅考虑结构的第一模态形状是可以接受的。因此，加载值是通过根据第一模态形状分布基础剪力到每层来确定的。这是通过定义一个来自第一模态特性的静态力来实现的。

应用:

• 适用于几何形状规则、质量分布均匀的建筑物。
• 常用于结构的初步设计，以及简单结构的最终设计，也用于规范合规性检查。

限制:

• 忽略了更高振动模态及其贡献。
• 对不规则或高层建筑的适用性有限。

Equivalent Lateral Force Method in Seismic Analysis

推覆分析法

推覆分析法是另一种静态方法，但同时也是非线性方法，因为它涉及到静态负载与非线性分析的结合。结构受到第一模态形状的单位力，塑性铰的位置通过迭代确定。该分析提供了能力谱，与选定的响应谱进行比较时，反映了结构的实际性能水平。如果结构不规则或高度较高——即较高模态发挥重要作用，应该使用模态推覆分析。在这种情况下，将同时考虑第一模态形状和更高模态（如模态分析）。

应用:

• 推覆分析的主要目的是评估现有结构的抗震性能，因此对于加固特别有价值。它可用于评估建议修改的效果。
• 这对于简化水平负载下的结构行为也很有用。所得的力-变形曲线（能力曲线）为工程师提供了一种直观的方式来解释和理解结构的行为。

限制:

• 忽略了更高振动模态及其贡献。
• 常用于基于性能的地震设计，其目标是确保结构在地震事件中的充分性能，而不仅仅是满足规范规定的力。

抗震工程中的静力弹塑性分析

动态分析

响应谱分析

在响应谱分析中，结构的特征模态与响应谱中的相应加速度相结合。通过对模态形状进行有效模态质量的加权并应用加速度，可以在无需创建等效荷载的情况下得出结构状态，包括产生的变形和内力。然后使用标准化的组合技术将个别模态的结果组合起来，最常用的是SRSS（平方和的平方根）规则。

结构具有多个自由度，导致多个模态形状。每个模态形状的贡献通常由模态参与质量比定义，这表示与每个模态形状相关的质量除以结构的总质量。由于一般情况下计算每个模态是不现实的，设计规范允许总参与模态质量比超过某一百分比，尽管确切的门槛可能会根据所应用的具体规范或附录有所不同。

应用:

• 适用于不存在显著非线性行为的建筑物，其中弹性分析提供了足够的安全水平，或者结构非线性可以通过在响应谱分析中考虑非弹性行为的行为系数进行简化。根据使用的具体标准或规范，这个因素可能有不同的名称。
• 适用于计算简单性优于对详细的、时间依赖结果需求的情况。

限制:

• 假设线性弹性行为，不适用于预期会经历显著非线性行为且无法被行为系数充分处理的结构。
• 地震输入的简化表示：响应谱分析中使用的设计响应谱通常来自于对地面运动的简化、理想化表示。

抗震设计的反应谱分析

时程分析

这种方法涉及将时间依赖的地面运动记录（加速度图）应用于结构模型以模拟其随时间的响应。它提供了详细的结果，包括每个时间步骤的位移、加速度和内力。分析可以是线性或非线性的，取决于在加载过程中如何考虑材料行为和结构响应。在线性情况下，结构在假设线性弹性行为下建模，而在非线性情况下，分析考虑了材料和几何非线性。因此，非线性时程分析是最先进的方法，捕捉到在时间依赖地震荷载下材料和几何非线性的全部范围。

应用:

• 常用于详细设计阶段或地震活动强度高的区域的结构。
• 对于复杂、不规则或高度敏感的结构至关重要。

限制:

• 计算密集且耗时。
• 需要建模和解释方面的专业知识。

时程分析加速度图

结论

地震分析方法范围从简单的静态方法到高度详细的动态模拟，每种方法都满足特定设计需求和结构复杂性。表1提供了每种方法在复杂性、准确性和实际应用之间的权衡概述。虽然等效侧向力法足以用于常规低层建筑，但像非线性时程分析这样的先进方法对高地震活动区的复杂结构是必不可少的。方法的选择应在准确性、计算需求和项目要求之间取得平衡，确保在地震期间保护生命和基础设施的抗震设计。