第1章 概述

1.1 多维地震动分量的研究

作为一种严重的自然灾害，地震给人类造成的损失是巨大的，产生的影响是久远的。对建筑结构进行抗震设计，是减轻地震灾害的一种积极有效的方法。目前，国内外在单维地震作用研究方面已形成了比较完善的理论，建立了一套有效的抗震设计方法，并已体现在各国抗震规范中。然而，理论研究与震害经验表明，地震时的地面运动是一复杂的多维运动，包括平动分量和转动分量。结构在单维与多维地震作用下的反应不同，特别是对一些复杂工程结构（如大型水坝、海洋平台、核电站、大跨度及空间结构等），在结构抗震分析时只考虑单分量地震作用是不够的，还应考虑多分量地震作用对结构的影响。近年来，各国学者逐渐认识到对结构进行多维地震作用分析的必要性，已开展了相应的研究，并取得了一些可喜成果^［1］。

实际情况下，地震动有六维分量：3个平动分量和3个转动分量。但迄今为止，在地震观测中，大多获得的是三维平动分量，同时考虑六维地面运动的研究寥寥无几，理论研究尚处于初级阶段。这主要是由于对测量转动分量的强震仪的研究并未取得突破，研究者大多是用间接的方法从已有的平动分量来获得转动分量（常采用弹性波动理论）^［2］。其中，地震波三向平动分量及双向水平分量加绕竖轴的转动分量研究都不成熟；理论方面存在难度，如复合受力下恢复力特性的确定问题；同时，相关试验资料缺乏，如复合受力下，各维力的加、卸载比例如何确定，加、卸载是否同步，以及加载路径如何确定，这些都会对试验结果产生影响。

结构地震反应实测和震害调查表明，仅考虑地震的单向水平作用或按简化的平面模型来分析结构的反应并不能解释实际观察到的一些震害现象。1976年，天津拖拉机厂厂房遭受唐山地震影响，由于未设置柱间支撑，每根柱既是横向抗侧力构件，又是纵向抗侧力构件，地震后多数柱子发生两对角混凝土的破坏和纵筋压曲现象。而在同年宁河地震中，一些柱子又沿另一对角线方向发生同样的对角破坏，这也验证了地震波多维分量的存在。刘季^［3］早在20世纪80年代就对多维地震动复合作用下的结构反应进行了研究，建立了结构在六维地震动非惯性系统中的运动方程，并分析了地面转动分量对结构地震反应影响的特性，李宏男^［4］对多维地震动理论和结构多维地震反应也进行了多方面的论述。

多维地震作用尤其是双向水平地震作用对于某些结构或构件的抗震设计而言是不容忽视的。文献［5］运用时程分析法对单向不规则3层框架进行研究后认为，双向地震输入下，结构顶层最大位移比单向地震输入时增加17.2%，最大层间位移角增大57.14%。文献［6］研究认为，只对结构进行单向地震动输入的计算方法只适用于简单规则结构，对于复杂结构其计算结构偏小，有时可达30%；对于非规则、偏心结构，如果不考虑双向水平地震作用将导致不合理结果的产生。文献［7］研究认为，高层建筑在双向水平地震作用下的反应是单向水平地震作用的1.2～1.6倍，国内其他研究者也得出类似的结论^［8］。

为了有效地研究结构和构件的空间地震反应，研究者大多通过多维静力加载试验、多维拟静力试验和地震模拟振动台试验来进行试验研究。在大量的双向加载情况下，构件的恢复力和滞回能力以及塑性变形能力、承载力等均与单向加载情况下的表现不同。M Seki和T Okada^［9］对具有钢筋混凝土柱和剪力墙的空间框架结构进行了双向拟动力试验。结果表明，与单向加载相比，双向加载下的结构响应位移显著增大，其主要抗侧力构件及剪力墙数量和位置极大地影响结构的响应位移。T Okada等^［10］对6个强梁弱柱型框架模型进行了振动台试验，双向地震输入使模型的最大位移反应比单向地震输入时增加了1.1～2.2倍。Isamu等^［11］完成了2个11层板柱模型框架的振动台试验，分别进行了单向地震波输入和双向地震波输入，得出了不同地震输入下结构不同的破坏形式。杜宏彪^［12］研究了由于质量偏心和斜向水平地震输入引起的结构空间弹塑性地震反应，通过不同种类的框排架模型结构振动台试验研究得出结论：质量偏心或双向地面运动引起的结构空间作用加剧了结构的反应，在相同激振水平下，与平面结构反应相比，结构承载力降低、位移增大，由于柱受双向弯曲作用，即使是强柱弱梁型结构，柱也会成为结构的薄弱环节。

多维地面运动对结构的影响不仅在于具有加剧结构破坏的趋势，还在于各维地震波的频谱组成和相对大小关系对结构反应也有很大的影响，各维地震波的不同组成会造成结构截然不同的破坏形式，这些均要求对结构在多维地震下的弹塑性性能进行综合研究，以期增加结构抗震的可靠性。