2014地震工程期末试题

一、名词解释1.断层及回弹理论岩石层两部分相着相反的方向运动，构造运动产生的应变能在两部分接触面断裂时释放，形成断层。回弹理论：岩石层在断裂前集聚的应变能在断裂时突然释放，引起两部分岩石回弹、振动。观测台站和台阵观测台站：用地震动记录仪器来测量地震动加速度记录台阵：一定区域，一组地震计。2.地震动上盘效应上盘离断烈面的距离更近，因此受到更大的地震作用。3.地震动衰减关系地震动幅值随地震震级和距离的衰减关系。4.无条件稳定算法无论计算步长取多大，计算结果总会在一个有界的区间范围内。5.结构的延性能力结构非弹性变形的能力6.地震动加速度谱某一地震动引起的单自由度体系加速度反应和体系自振周期的关系。7.强度折减系数谱在不同的延性系数下，单自由度结构的标准屈服强度与体系自振周期的关系8.地震危险性分析狭义上讲：与地震有关的一切破坏广义上讲：超出某种强度水平的可能性9.结构易损性分析根据结构破坏状态与地震动强度关系，评估结构的能力。二、简答题1.什么是地震烈度？从地震作用取值和构造措施两方面分析在我国抗震设计中烈度使用的具体体现？小震、中震、大震如何与地震烈度对应？对应的地震烈度又有何近似关系？地震对某一地区地面建筑物影响的强弱程度设计基本加速度是按照烈度取值的，构造措施也是根据不同烈度区分的对应关系根据地震烈度的概率密度函数对应，小震对应的50年超越概率为63.2%，中震对应的为10%，大震对应为2-3%基本烈度与众值烈度差的平均值为1.55度。罕遇地震对应的烈度比基本烈度大约一度左右2.求解结构动力平衡方程的NEWMARK方法和中心差分方法公式推导得主要假设是什么（即离散平衡方程时使用的基本公式）？两种方法分别更适用于分析何种问题？各自的优点的是什么？（1）公式推导的基本假设：中心差分法：速度是位移的一阶中心差分，加速度是位移的二阶中心差分Newmark法：2）两种方法的优缺点平均加速度法是无条件稳定的方法；线加速度法是单自由度体系最精确的算法，但是稳定性要求高；中心差分法和上述方法比较是最简单的计算方法。但是由于该方法采用的是差分思路，当步长不够小时很容易放大误差，从而其计算量很大，结算精度使所有方法中最低的。（3）两种方法的适用范围中心差分方法:由于中心差分法采用的是差分思路，对动力问题计算精度低，计算量大。因此更适合计算拟静力问题和总分析时间很短的问题。Newmark方法：虽然比中心差分法的精度高很多，但是算法比中心差分法复杂。因此更适合与做地震反映分析。3.在使用有限元方法对结构进行地震反应分析时，有限元模型的建立一般根据不同分析目的可采用层模型、杆系模型和精细化模型三类。简述三类模型的区别，并说明三类模型各自适用于分析哪些问题？层模型：层模型取层为基本计算单元。视结构为悬臂杆。将结构质量集中于各楼层处，合并整个结构的竖向承重构件成一根竖向杆。用结构每层的侧移刚度代表竖向杆刚度，形成一底部嵌固的串联质点系模型即称为层模型。作用：确定结构的层间剪力与层间侧移。工程实践中，层模型主要被用于检验结构在罕遇地震作用下的薄弱层位置及层间侧移是否超过允许值，并校核层剪力是否超过结构的层极限承载力。杆系模型：视结构为杆件体系。取梁、柱等杆件为基本计算单元。将结构质量集中于各结点。杆系（梁柱）模型采用杆件截面恢复力模型以表征地震过程中杆单元刚度随内力的变化关系，可方便考虑弹塑性阶段杆单元刚度和强度沿杆长的变化。有限元模型：对弹性楼板问题、多塔楼问题、柔性楼盖等问题，使用梁柱元、板(壳)元、体元、接触单元等建立的结构计算模型，适合于更为复杂的结构构造，这种模型叫做精细有限元模型。因为单元划分尺度可以根据结构受力工作状态确定，这种模型适合于复杂的结构情况，对一维、二维和三维问题都是有效的。为减小自由度，提高计算速度，也可以在局部使用划分较细的有限元，在一般部位使用杆系模型，这种情况称为多尺度建模。4.什么是近断层的前破裂方向性效应？使用断层破裂传播方向和场地位置的相对关系图，说明二者呈何关系时何区域会受该效应影响？并指出具体的影响是什么？如果断层的破裂方向朝向场地或破裂方向与震源和场地连线的夹角较小的话，场地的效应称为向前方向性效应5.针对等延性位移反应谱和等强度位移反应谱，图示它们的横纵坐标轴的物理量，图中延性和强度的标注，谱的基本形状（指平均谱的趋势）等，简要说明此两种非弹性反应谱如何计算、有何用途？等强度谱：已有工程结构的抗震评估；建立过程：1）数值定义地面运动的加速度2）选择并确定所绘反应谱的阻尼比3）给定一个结构的周期，时程分析计算结构处于弹性时的最大位移u0，计算保持弹性的最小屈服强度f0。4）对结构的屈服强度进行不同程度折减，分别计算折减后的结构在时程分析下的最大位移um5）重复34步骤等延性谱：工程结构的初步设计建立步骤：1、数值定义地面运动(ug(t))̈。2、选择并确定所绘反应谱的阻尼比ζ。3、选择Tn的值。4、确定周期Tn和阻尼比ζ等于所选值的线性体系反应u(t)，根据u(t)确定峰值变形u。和峰值内力f0=ku0。5、确定具有相同Tn和阻尼比ζ以及屈服力fy=f0的弹塑性体系反应u(t)根据u(t)确定体系的最大变形um，求出相应的延性系数。对于足够多的值，重复这样的分析以获得覆盖感兴趣的延性范围的数据点(，μ)。6、a.对于所选择的μ用第5步的结果确定值。如果特定的μ值对应不止一个值，那么取的最大值。b.确定6(a)中求得的对应的谱纵坐标，求出uy，然后求出Dy、Vy、Ay，这些数据提供了反应谱图中的一个点。7、对于Tn的一个范围，重复3~6步，得到适合于第6(a)步所选择的μ值的反应谱。8、对于μ的若干值，重复3~7步。三、论述题1.对于目前普遍使用的基于强度的抗震设计理论，对结构的非弹性变形反应能否进行直接设计？如果能，如何设计？如果不能，如何控制？基于性态的抗震设计理论能否直接对结构的非弹性变形反应进行设计？对于基于强度的设计理论不能直接设计。通过用非弹性谱对弹性体系下结构强度的折减进行控制。能2.给定一条地震动，写出使用pushover方法求该地震动作用下一多自由度结构顶点最大位移的基本步骤及主要公式？（仅考虑第一振型即可；其中使用改进能力谱方法求解形态点的过程使用图示详细说明）（1）对结构进行Pushover分析，得到结构的基底剪力和顶点位移关系曲线（能力曲线）；（2）将结构的Pushover曲线转换成等效单自由度体系谱加速度-位移形式的能力曲线；（3）建立需求谱，通过强度折减系数对弹性反应谱进行折减得到非弹性反应谱，并将其从标准的加速度-周期形式，转换成谱加速度-谱位移形式。（4）将非弹性反应需求谱与简化能力曲线绘制在一起，求出两者的交点，即为目标位移。3.图示IDA方法的结果表现形式，对于地震动强度参数（IM）和结构工程需求参数（EDP）的关系，可使用增量动力分析方法（IDA方法）或云图分析方法（cloud方法）给出，指出两种方法的区别？IDA方法：优点：精确、通过调幅可以考虑非常小和非常大的地震动强度、可以考虑不同地震动强度下结构反应标准差的变化。缺点：需要调幅地震动、计算量太大、对地震危险性的表达欠缺。云图(Cloud)分析方法：核心是获得结构地震反应和地震动强度参数之间的关系，功能与IDA方法一样。优点：不需要调幅地震动、计算量适中、对地震危险性的表达有一定考虑。缺点：近似精确、不能很好考虑非常大的地震动强度、不能考虑不同地震动强度下结构反应标准差的变化。4.给定了100条地震动和一个结构，如何使用IDA方法和cloud方法求得该结构针对某一破坏状态限值的易损性曲线？写出计算易损性的主要公式（假设破坏状态限值为结构最大层间位移角2%）5.通过你对地震工程课程的学习，你认为地震工程最核心的问题是什么？写出你认为的地震工程这门学科应该包含哪些内容，以及今后还应该开展哪些方面的研究工作？