东南大学工程结构抗震分析-一结构抗震分析研究进展

工程结构抗震分析第一部分结构抗震分析研究进展工程结构抗震分析12个关键问题：1、地震工程学与工程地震学2、抗震设计理论的发展3、地震反应的分析方法与结构识别4、振型遇合问题5、竖向地震作用效应6、扭转振动效应7、随机灾害场8、基于性能的抗震设计9、静力弹塑性分析方法10、结构损伤机理与安全评估11、多种/多重灾害防治12、重大工程的动力灾变工程结构抗震分析一、地震工程学与工程地震学（EarthquakeEngineering&EngineeringSeismology）工程结构抗震分析工程地震学（地球物理学专业）的研究内容（1）地震灾害和预测预防：主要包括地震调查、地震区划、地震预报和预防。（2）地震物理：主要包括地震波理论、震源物理和模拟实验、地震现象的固体物理学。（3）地震应用：主要包括地震信息和地球内部结构的研究、地震区划烈度、地震勘探、地震地质、侦查地下核爆炸。（4）地震接收和数据处理方法：主要包括地震仪的改善和研制、台阵技术和数据处理自动化。工程结构抗震分析地震工程学（土建专业、力学专业）的研究内容（1）地震地面运动宏观调查烈度区划：中国地震烈度区划（1990）ChineseSeismicIntensityZoningMap地震基本烈度（BaseIntensity）：指在50年期限内，一般场地条件下可能遭遇超遇概率为10%的地震烈度值。建筑抗震设计规范CodeforSeismicDesignofBuildings(GB50011—2001):采用抗震设防烈度、设计基本地震加速度值和所属的设计地震分组。烈度标准：am、vm、Dm、arsm、TD强震观测：包括常规分析。工程结构抗震分析地震工程学（土建专业、力学专业）的研究内容（2）结构抗震动力计算和设计结构动力特性（质量、刚度、阻尼、振型、自振频率、阻尼比）：结构脉动试验、振动试验；结构动力反应（位移、速度、加速度、内力）：力学模型、分析方法、破坏机理；结构抗震设计：根据抗震规范进行抗震验算和构造措施特殊结构（核电站、海洋平台、大型构筑物）。工程结构抗震分析二、抗震设计理论的发展工程结构抗震分析地震作用（EarthquakeAction）是指由地震动引起的结构动态作用，包括水平地震作用和竖向地震作用。地震作用（地震力）是假想的、当地面运动时建筑物自身所受到的惯性力，即地震作用=→即地震作用与地面运动和结构响反应有关。结构地震作用研究的发展和抗震设计理论的发展紧密相连，主要经历了三个阶段：))()((txtxmg工程结构抗震分析1900年日本学者大森房吉提出震度法概念。该理论假定结构物为绝对刚体，结构物上任一点的绝对加速度与地面运动加速度相等，而与结构动力特性无关，结构上各部位单位质量所受到的地震力相等。式中，k为地震系数，根据多次地震震害分析得出用以反映该地区地震强烈程度，k=0.1—0.2。第一阶段（20世纪初—40年代）静力理论阶段（StaticMethod）kWggxmxmFggmax,max,工程结构抗震分析反应谱理论考虑了结构动力特性与地震动特性之间的动力关系，通过反应谱来计算由结构动力特性（自振周期、振型、阻尼）所产生的共振效应（含共振效应）。地震时结构受到的最大水平基底剪力，即总水平地震作用为式中，β称为动力放大系数或放大系数，用β表示结构动力特性；Sa为绝对加速度反应谱。第二阶段（20世纪50—60年代，现仍使用）反应谱理论阶段（ResponseSpectrum）WgSWtxtxgWkmgtxtxtxgtxtxtxmFammgmgmmgmgmmg)()(1)()()()())()((,,,,,工程结构抗震分析第二阶段（20世纪50—60年代，现仍使用）反应谱理论阶段（ResponseSpectrum）地震反应谱是指单自由度弹性体系在给定的地震作用下某个最大反应量peakresponse（如位移、速度、加速度等）与结构体系自振周期T的关系。反应谱理论尽管考虑了结构的动力特性，它仍然把地震力当作静力看待，所以又称为等效静力法。工程结构抗震分析第三阶段（20世纪70年代至今）动力理论阶段（TimeHistoryMethod）动力抗震设计理论具有如下特点：（1）输入地震动参数需要给出符合场地情况、具有概率意义的加速度过程，对于复杂结构要求给出地震动三个分量的时间过程及其空间相关性。（2）全面考虑了地震动特性的三要素：幅值、频谱、持时。（3）结构和构件的动力模型应接近实际情况，要包括结构的非线性恢复力特性。（4）动力响应分析要能给出结构响应的全过程，包括变形和能量损耗的积累。（5）设计原则考虑多种使用状态和安全的概率保证。工程结构抗震分析第三阶段（20世纪70年代至今）动力理论阶段（TimeHistoryMethod）动力抗震设计理论涉及十分广泛：1．地震波（强震纪录、人工模拟地震波）2．时程分析方法（力学模型、恢复力模型、步步积分法）3．简化分析方法（简化模型、弹塑性谱、弹塑性变形简化计算、静力弹塑性分析方法）4．破坏试验5．竖向振动6．扭转效应7．地基—基础—上部结构共同作用（相互作用）8．结构减震与控制9．结构物地震波的多点输入10．专家系统、模糊识别工程结构抗震分析三、地震反应的分析方法与结构识别工程结构抗震分析第一种划分方法确定性分析方法与非确定性分析方法确定性分析方法是指地震地面运动的加速度是时间t的已知和确定的函数，根据这个地震作用求出的结构响应也是时间t的确定函数。非确定性分析方法，即随机振动分析方法，就是指地震地面运动的加速度不是时间t的确定函数，对任何一个固定的t，为一个随机变量，其地面加速度为随机过程，而结构响应也是一个随机过程。)(txg)(tx)(txg)(txg)(tx工程结构抗震分析第二种划分方法时域分析方法与频域分析方法时域分析方法（TimeDomainAnalysis）是将地震波按时段进行数值化后，输入结构体系的振动微分方程，采用逐步积分法进行结构动力反应分析，计算出结构在整个强震时域中的振动状态全过程，给出各个时刻各杆件的内力和变形，以及各杆件出现塑性铰的顺序。它从承载力和变形两个方面来检验结构的安全和抗震可靠度，并判断结构屈服机制和类型。工程结构抗震分析第二种划分方法时域分析方法与频域分析方法频域分析方法（FrequencyDomainAnalysis）：对于线性结构系统，由于存在叠加原理，其时域解与频域解是完全等价的。用频域分析方法进行线性结构体系动力反应分析的基本步骤是：（1）根据体系运动方程求出频域传递函数；（2）采用快速傅氏变换（FFT）求出荷载的傅氏谱；（3）应用频域传递函数和荷载的傅氏谱计算体系每一频率分量的频域解；（4）采用快速傅氏逆变换将频域解转化为时域解。工程结构抗震分析第三种划分方法输入结构响应（1）正演：已知输入、结构参数求响应。（2）反演：已知响应、结构参数求输入，例如已知土的响应和土的结构参数求基岩的地震输入。（3）结构识别（SystemIdentification）：已知输入、结构响应求结构参数。工程结构抗震分析第三种划分方法输入结构反应采用优化技术调整试验：已知输入)(0tx分析：假定结构参数向量Tn,,,21从结构上实测响应计算结构响应)(),(),(tytyty),(),,(txtx计算误差函数),(T输出dttytxtytxTT2/1022)(),()(),(),(FT工程结构抗震分析四、振型遇合问题（ModalAnalysisMethod）工程结构抗震分析问题的提出：多振型、振型间的相关性?各振型的最大值不同时出现，如何组合?计算出作用于结构上的若干振型的水平地震作用，以此求得结构中构件或杆件的若干振型的地震作用效应。因为结构的各振型最大地震响应并不发生在同一时刻，所以结构的真实地震响应是各个振型地震作用效应的遇合值之和。工程结构抗震分析振型遇合方法有：（1）最大值的和：叠加各振型所产生的作用效应的最大值来求总的作用效应。由于结构的各振型最大地震响应并不发生在同一时刻，因此该计算结果过于保守。（2）仅取第一振型的结果：由于未考虑其他振型的影响，结果偏于不安全。工程结构抗震分析（3）平方和开方法（SRSS法）（SquareRootofSumSquareMethod）：结构的各自振频率相隔较远时，振型之间的相关性可以忽略不计，则结构地震作用效应的均方差等于各振型地震作用效应均方差的平方和的平方根，故有式中，S为结构水平地震作用效应（弯矩、剪力、轴向力和变形）；Sj为j振型水平地震作用产生的作用效应。2jSS工程结构抗震分析（4）完整二次项组合法（CQC法）（CompleteQuadricCombinationMethod）当地震动过程是平稳随机过程时，随机振动理论指出，结构动力反应最大值与各振型反应最大值之间的关系可用如下振型组合公式近似描述通常，若体系自振频率满足下列关系式则可认为体系自振频率相隔较远，此时振型自相关系数等于1，CQC法退化为SRSS法。CQC法用于振型密集型结构，如考虑平移—扭转耦连振动的线性结构系统。SRSS法用于主要振型的周期均不相近的场合，如串联多自由度体系。mimjjiijSSS112222222/12/3)()()(2)())((8jijijjiijijijjiiijjijjii,2.02.0工程结构抗震分析五、竖向地震作用效应工程结构抗震分析在高烈度地震区，地震动竖向加速度分量引起的震害明显;烟囱的上半段出现环形水平通缝；顶端叠落在烟囱下半段的上口；设备上跳移位（某电厂）150吨的主变压器跳出轨外；强烈地震时人们的感受是先上下颠簸、后左右摇晃。震害现象工程结构抗震分析地震记录地震时获得过竖向峰值加速度av达到甚至超过水平峰值加速度ah的地震记录：1979年美国ImperialValley地震所获得的30个地震记录，av/ah的平均值为0.77；靠近断层的11个记录，av/ah的平均值则达到了1.12；其中最大的一个记录，av/ah高达2.4；1976年原苏联格里兹地震，记录到的竖向和水平峰值加速度的比值为1.63；1976年唐山地震也曾测到竖向峰值加速度达到水平峰值加速度的数值。统计表明：av/ah=1/2—1/3。工程结构抗震分析竖向反应谱对结构地震反应的竖向动力系数βv谱和水平动力系数βh谱，按四类场地分类，进行统计分析，得到四组平均反应谱。所谓动力系数β反应谱，就是一系列单自由度体系的最大加速度反应A与地震动峰值加速度a的比值，与周期T的关系曲线，它等于地震影响系数α谱的曲线除以地震系数K。以Ⅱ类场地为例，其βv谱和βh谱曲线的形状如图所示。图中，曲线①为平均竖向反应谱，曲线②为平均水平反应谱，曲线③为设计用的标准反应谱。工程结构抗震分析反应谱曲线①为平均竖向反应谱，曲线②为平均水平反应谱，曲线③为设计用的标准反应谱。工程结构抗震分析从图中可以看出：1．竖向谱与水平谱的变化趋势和形状十分接近，具有相同的规律性，场地类别同是决定谱形状的重要参数；2．竖向谱的卓越周期(predominantperiod)Tgv比水平谱的卓越周期Tgh稍短，约短0.03～0.05s；3．竖向谱的峰值βv,max≈水平谱的峰值βh,max；4．在短周期段（T＜0.2s），竖向谱的βv值≈1.2水平谱的βh值。竖向反应谱工程结构抗震分析用于工程设计用的竖向βv谱曲线与水平βh谱的曲线相同。设计用竖向反应βv谱工程结构抗震分析设计用竖向α谱竖向地震影响系数反应谱（αv-T曲线），与水平谱（等于水平地震系数Kh乘以水平动力系数βh）一样，等于竖向地震系数Kv与竖向动力系数βv的乘积。竖向动力系数βv与水平动力系数βh在数值上相等，而且竖向地震系数Kv和水平地震系数Kh对应于每一