为了考虑层间刚度对竖向不规则结构非线性静力分析结果的影响,提出了建筑结构考虑刚度变化的水平侧向力分布计算方法。在总结几种常见水平侧向力分布形式、分析单自由度体系运动方程的基础上,给出了单自由度、多自由度体系水平地震力与层间刚度的关系,提出了改进的水平侧向力分布形式。算例计算表明,可以找到多种侧向刚度不规则结构的薄弱层,得到的楼层侧移和层间位移角与时程分析结果符合较好。
该方法认为沿建筑物高度侧向力均匀分布,每一层的侧向力和该层的质量成正比。每一层的水平侧向力Fi可由下式计算:
Fi=αWi,式中,α为比例系数,Wi为第i楼层的重力荷载代表值。
水平侧向力均匀分布形式过于简单,只考虑了楼层质量对地震作用的影响,而没有考虑结构刚度、强度以及振型等参数对非线性分析结果的影响,计算结果与实际结构反应有较大的差异。
E· kalkan和S·K· Kunnath考虑振型的影响,提出了MMC水平侧向力分布形式:
Fj=∑αnΓnmφnSa (ζn ,Tn )
式中,αn为修正系数,可正可负;φn为n振型向量。
MMC分布形式实际为各振型对地震力贡献的线性组合,该方法虽然考虑多振型的影响,理论上也可以用于不规则结构,但是由于系数αn的不确定性,包括正负号的不确定,导致在具体计算时,要对各种可能出现的组合分别计算,并取其包络线作为最终结果,特别是在考虑多阶振型时,计算过程十分复杂。
除了上述水平侧向力分布形式,常见的还有按照结构第一振型分布的侧向力,以及其他按照结构某几个振型进行组合 ( 例如,SRSS组合方法)的分布形式。笔者通过计算比较,认为如果侧向力分布按照多个振型的组合形式分布,虽然得到的结果可以接受,但是计算过程还是偏于复杂,不利于实际工程应用。
竖向不规则结构和规则结构的一个显著区别就是侧向刚度有较大的突变,可见,竖向不规则结构在进行pushover分析时,必须考虑其刚度变化的特点,其水平侧向力分布也应该考虑刚度的影响。
在水平地震作用下质点的惯性力和质量成正比,这也就是pushover分析水平侧向力均匀分布的原因了。若忽略阻尼的影响,则质点惯性力与刚度也是成正比的。对于多自由度体系也可以得到同样的结论。层间刚度大则承受的水平地震力就越大,反之,亦然。在此,引入层间刚度对传统的水平侧向力分布进行修正,使其符合竖向不规则结构在地震作用下的水平惯性力分布。