[分享]结构中的地震作用是如何产生的
《建筑抗震设计规范》（GB 50011—2010）中给出的地震影响系数曲线如上图所示。为何要用这样的曲线来计算地震作用？下面的这四幅动画将会让你明白建筑结构所受地震作用的产生机理。
首 先，要明确何为“地震”。地震，实质上是“地动”，即“地面运动”，因此，把建筑结构简化为一根细杆支撑的小球，将地面简化为一个小车，如下图所示。如果 结构所受的地面运动越大，小球偏离平衡位置的距离将会越远。我们假定地面的运动是不受限制可以自由运动，那么地面如何运动将会对结构产生最大的地震作用 呢？
下 面的动画分别表示地面运动速度为0m/s，2m/s，10m/s速度运动时，结构的振动现象。从动画中可以发现，地面只要是匀速运动或是静止状态，小球始 终保持在平衡状态，这就象是站在公交车里的人，只要公交车不加速、不刹车并且不拐弯，人是不会感觉到额外的“力”作用的。据此可以推断出，建筑结构所受的 地震作用是由于地面运动的加速度引起的，与地面运动的速度和位移无关，而且地面运动加速度越大，地震作用越大。
地面运动的加速度将会是产生地震作用的主要原因。事实上，地面是不可能自由运动的，在地震时地面是在平衡位置往复运动的，结构也如此。因此，我们最关心的是周期特性如何会影响到地震作用。假定结构的周期为T1，地面运动的周期为Tg,下面的动画分别表示T1/Tg=0.2, T1/Tg=1 和 T1/Tg=2时，结构的振动现象。可以发现，并不是地面往复运动得越快，结构的地震作用越大，而是T1/Tg=1时，结构振动幅值最大、偏离平衡位置最远、地震作用最大。
因此，可以推断出，结构的周期与地面运动的周期接近时，地震作用最大，其中的原因是“共振”。结构的周期主要是和结构的刚度和质量有关，地面运动的周期主要是与场地类别和近震、远震有关，通俗点讲，场地越坚实，地面运动周期越短；场地越软，周期越长。
通过前面的分析，结构的周期、地面运动的周期及地面运动的加速度，都会与地震作用有关。那么，结构的质量会与地震作用什么关系呢？下面展示的一组动画，分别表示地面运动加速度相同，结构周期与地面运动周期比T1/Tg=1时，三个质量不同结的结构振动现象。可以发现，相同条件下，质量越大，结构振动幅值越大，偏离平衡位置越远，地震作用越大。这就象在一辆公交车上，急刹车时，胖子往往更容易被摔倒，原因是他的质量大，所受的惯性力也大。
假定结构相同，承受相同的地面运动，所不同的是，一个结构是自由运动，一个结构放入水中，另外一个结构放入粘滞液体中，如下面的视频所示，分别表示这三种情况下结构的振动现象。很明显，放入粘滞液体中的结构振动幅值最小，原因是“阻尼”的作用。阻尼越大，结构的振动幅值越小，所受的地震作用越小。
由前面的分析可知，结构所受的地震作用，实质上就是地面运动对其生产的惯性力，影响因素主要包括地面运动的加速度幅值、结构与地面运动周期比T1/Tg、结构的质量m，结构的阻尼比ξ。因此，地震作用F一定可以用一个关于这几个参数的函数式来表示，即:
F=f（Amax,T1/Tg,m,ξ）
地震作用F数值上等于质量乘以结构的加速度，因此上式可以把质量提出来，表示为：
F=m•a（Amax,T1/Tg,ξ）
由于左端是力的量纲，右端与质量有关，因此把质量转换成重量，表达式变为：
F=mg•α（Amax,T1/Tg,ξ）=G•α（Amax,T1/Tg,ξ）
α函数即是规范中给出的地震影响系数曲线，对于单自由度体系，地震作用等于重量乘以一个数值，这个数值需要根据周期比、阻尼比、设防烈度来确定。下面分析α如何体现这几个参数的影响。
(1)地震影响系数曲线图中横坐标表示结构周期，纵坐标表示α数值。确定α需要求得结构的周期，根据结构的周期与场地周期关系，由图确定α数值。比如，周期比T1/Tg在0.1至Tg范围之内，地震作用最大。
(2)纵坐标表示α数值的最大值为αmax，这个数值要根据设防烈度来定，设防烈度越大的区域，αmax数值越大，这其实隐含的意义在于设防烈度越大，地面运动的加速度越大。
(3)阻尼比的影响。地震影响系数曲线图是根据阻尼比为0.05给出的。如果阻尼比不是0.05，则需要利用γ、η1和η2这三个参数对曲线形状进行调整。
由上述分析可以看出，α曲线巧妙融合了这些影响地震作用的参数，而且非常便于工程使用。
注：本文转自“建筑结构抗震”微信公众平台。
