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什么是结构反应谱分析

【学员问题】什么是结构反应谱分析？
【解答】反应谱分析建立在振型分解反应谱理论基础上。振型分解理论将结构的地震作用响应分解为各振型分量的叠加，即对应每个振型都有一个地震作用，然后通过一定的组合方法（SRSS，CQC，ABS等）叠加各振型结构的地震响应得到最终总的结构地震响应值。
振型分解法的数学和力学的本质：首先是利用功的互等定理（贝蒂定理）得到的振型正交性质，从而将多自由度结构振动偏微分方程组解耦成若干等效单自由度体系的常微分方程组，进而得到结构位移响应的解答。
当然，对于地震作用这样的复杂问题，结构振动的偏微分方程组的精确解是难以得到的，而必须采用数值解法。常采用的数值解法有Wilson-法，Newmark-法等。这些数值积分方法都有对应的求解程序，结构工程师不需要很精通这些数值求解方法的具体过程，而只需要建立一些概念即可。
这里需要注意一个概念：振型分析反应谱法只适用线弹性体系。如果考虑结构的弹塑性性质，则这种方法不适用。
这是为什么呢？这就是振型正交性，由于功的互等定理建立在材料线弹性假定的基础上，故由此得到的振型正交性也仅适用于线弹性体系。这也就是为什么大震下的结构弹塑性不采用振型分解反应谱法，隔震结构也不能采用这种方法的原因。
还要注意的一个概念就是：反应谱。什么是反应谱？从概念上讲，反应谱是在特定的地震波作用下，单自由度体系的某一响应量值与自振周期的关系曲线。
这里注意两个概念，一是单自由度，二是特定的地震作用。
其实，反应谱可分为地震反应谱和设计反应谱两种，工程上用得最为广泛的是设计反应谱，是根据多条地震反应谱由统计的方法取平均或取包络并通过人为调整最终得到的，存在一些人为的调整因素。
再进一步明确一个概念，反应谱曲线与哪些因素有关？
首先，设防烈度决定反应谱曲线地震响应的最大值；其次，设计地震分组和场地类别决定了特征周期。也许不少人对特征周期这个概念比较含糊，不知道究竟是什么。其实，我的理解，特征周期就是设计反应谱曲线下降段对应的结构周期值，很大程度上属于人为定义的概念。当特征周期取得大一些，我们会发现设计反应谱曲线对应数值一般将变大。
这就是为什么01抗震规范较89抗震规范，在特征周期上就做了调整使之增大，从而人为加大了地震作用的计算值，从某种意义上加大了结构的抗震安全储备。
再次，设计反映谱还和结构的阻尼比有关。结构的阻尼比越小，反应谱曲线的数值一般就越大。这是因为阻尼是阻碍结构振动的一种能量削弱，因此从结构概念上讲，阻尼越大对结构越有利。这就是为什么现在耗能减震技术在抗震领域非常有用的一个原因。
虽然振型分解反应谱法仅适用于线弹性结构，但这种方法仍是工程界最为广泛使用的地震作用方法，其概念明确，而且计算精度能满足工程要求，且软件操作便捷易懂，便于工程技术人员掌握。
以上内容均根据学员实际工作中遇到的问题整理而成，供参考，如有问题请及时沟通、指正。

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