7 工程结构抗震设计主要分析方法 - 2

工程结构抗震设计主要方法单自由度体系非弹性位移比谱1•目的和意义•单自由度体系非弹性位移比谱•恢复力滞回模型的影响•考虑P-Δ效应的非弹性位移比谱•近断层脉冲型地震动影响•应用于实际框架结构的修正2随着对结构地震反应认识的加深和地震灾害实测资料的增加，人们认识到：结构在强烈地震作用下，必然进入非弹性反应阶段；而在此时结构的位移对结构破坏将起到很大作用。所以传统基于力的设计方法也需要一种简便的估计地震作用下的最大位移的方法，来控制结构破坏。一、目的和意义3一句话：非弹性位移比谱方法可以用于结构非弹性位移反应的评估。与时程分析方法和非线性静力分析方法相比，更简单。4•位移系数/位移比谱法位移系数法是指通过结构保持完全弹性时的最大位移来估计结构的最大非弹性位移的方法。具体公式如下：将位移系数按照结构周期进行排列形成的曲线叫做非弹性位移比谱；因此位移系数法又被称为非弹性位移比谱方法。ieC5•通过大量地震动的时程分析，得到统计意义上的平均非弹性位移比谱。•以此位移比谱作为标准，考察不同的因素对非弹性位移比谱影响。•采用修正系数法将单自由度体系位移比谱应用到实际框架结构中去。6二、单自由度体系非弹性位移比谱•结构体系自振周期从0.07s至5.50s的37个单自由度体系（ζ＝5％）理想弹塑性（elastoplastic）恢复力模型结构位移延性系数分别为2.0、3.0、4.0、5.0和6.078•地震动记录在国内外的30次地震中选择了476条地震动记录，并按我国规范将其分为四类场地。场地类别场地描述记录数量Ⅰ坚硬土113Ⅱ中硬土133Ⅲ中软土133Ⅳ软弱土979四类场地上的平均位移比谱0.1161.01.52.02.53.03.54.0CT(s)(SI)0.1161.01.52.02.53.03.54.0CT(s)(SII)0.1161.01.52.02.53.03.54.0CT(s)(SIII)0.1161.01.52.02.53.03.54.0CT(s)(SIV)结果表明场地条件对非弹性位移比谱在较短周期的谱值以及位移比谱拐点周期的影响最大。10•对不同场地条件下的非弹性位移比谱进行回归分析，得到其简化公式：log1.0(1)(1)ZTCXYe场地分类拟合参数XYZⅠ类场地0.01230.02612.4789Ⅱ类场地0.02530.03352.4013Ⅲ类场地0.00000.05422.0467Ⅳ类场地-0.05270.11841.56381112拟合曲线与实际曲线比较0.1161.01.52.02.53.03.54.0CT(s)meancurvefittingcurve(SI)0.1161.01.52.02.53.03.54.0CT(s)meancurvefittingcurve(SII)0.1161.01.52.02.53.03.54.0CT(s)meancurvefittingcurve(SIII)0.1161.01.52.02.53.03.54.0CT(s)meancurvefittingcurve(SIV)0.1161.01.52.02.53.03.54.0CT(s)meancurvefittingcurve(SI)13•采用双线性滞回模型，以理想弹塑性体系为标准体系。刚度退化屈服后刚度对位移比谱的影响三、恢复力模型的影响14卸载无刚度退化反向加载指向最大位移点刚度退化双线性模型（Colugh模型）y9865(10)432(7)1FFy15刚度退化对位移比谱的影响0.1160.80.91.01.11.2Cdeg/CnorT(s)(SI)0.1160.80.91.01.11.2Cdeg/CnorT(s)(SII)0.1160.80.91.01.11.2Cdeg/CnorT(s)(SIII)0.1160.80.91.01.11.2Cdeg/CnorT(s)(SIV)刚度退化从增大结构非弹性位移反应转入降低结构的非弹性位移反应的分界周期随场地条件的变软（场地特征周期的增加）而逐渐增加。16屈服后刚度的变化6''6'645''5'53''3'32''2'2r=-0.10r=0.00r=0.10F1y17结构的非弹性位移比谱随着屈服刚度系数的减小而增大，并且当屈服后刚度为负值时的增大幅度会比其为正值时的幅度大很多不同屈服后刚度的位移比谱0.1161.01.52.02.53.0CT(s)rrrrr0.1161.01.52.02.53.03.54.04.5CT(s)rrrrr18•用r＝0.10、0.05、-0.05、-0.10的非弹性位移比谱分别与理想弹塑性体系的位移比谱对比，得到了不同屈服刚度系数位移比谱对标准体系位移比谱的修正系数。6''6'645''5'53''3'32''2'2r=-0.10r=0.00r=0.10F1y19不同屈服后刚度位移比谱修正系数0123450.800.850.900.951.001.051.10Cr/C0T(s)r=0.100123450.800.850.900.951.001.051.10Cr/C0T(s)r=0.050123451.01.11.21.31.41.5Cr/C0T(s)r=-0.050123451.01.21.41.61.82.0Cr/C0T(s)r=-0.1020以0.5s作为分界点，对位移比谱修正系数进行线性拟合。拟合曲线与比值曲线比较0123450.800.850.900.951.001.051.10Cr/C0T(s)r=0.100123451.01.11.21.31.41.51.61.71.81.92.0Cr/C0T(s)r=-0.100/rCCABT21P-Δ效应示意图arctg(kθ)yF(1)yFeFeyFP0MFhhFPP-Δ效应是一种重力二阶效应，能够对结构的地震反应（尤其是非弹性反应）产生很大的影响。四、P-Δ效应的影响22•P-Δ效应对各个周期段的非弹性位移比谱都会产生很大影响，其影响随着延性系数的增大而增大，随着周期的增加而减小。不同程度P-Δ效应影响下的的位移比谱0.1161.01.52.02.53.03.54.0CT(s)0.1161.01.52.02.53.03.54.0CT(s)23考虑P-Δ效应位移比谱的修正系数随着结构延性的增加而增加，随着影响程度的增加而增大，随着结构周期的增大而减小。0123451.01.21.41.6Cp/C0T(s)0123451.01.21.41.61.82.0Cp/C0T(s)给出了考虑P-Δ效应体系的非弹性位移比谱对标准位移比谱的修正系数。240123451.01.21.41.6Cp/C0T(s)meancurvefittingcurve0123451.21.62.0Cp/C0T(s)meancurvefittingcurve0/10.219.7pCCT采用线性拟合得到了修正系数的简化公式。25•将所有476条地震动按90%能量持时分为三类地震动类别持时区间记录条数短持时地震动Td10s159中等持时地震动10s≤Td20s160长持时地震动Td≥20s15726不同持时段的位移比谱值比较6.00.1161.01.52.02.53.03.54.0CT(s)T20sT10sT10s0.1161.01.52.02.53.03.54.04.55.0CT(s)T20sT10sT10s持时对考虑P-Δ效应的位移比谱的影响要比未考虑P-Δ效应位移比谱的影响大很多，尤其是在中长周期段27•选择了15次地震中的近断层脉冲型地震动共137条。断层距小于20km；速度时程中含有明显的脉冲；震级大于5.6级；具有明确的场地条件。五、近断层地震动影响280.2s至1.5s的周期段，近断层地震动对位移比谱的影响最大，将近20%（脉冲型地震动普遍拥有较宽的加速度敏感区）。近断层地震动影响0.1160.81.01.21.4Cnearfield/CnormalT(s)29•不同地震动参数的影响分别以场地条件、PGV/PGA、PGV、MIV对近断层记录进行了分类。参数场地（Vs）PGV/PGAPGV(cm/s)MIV(cm/s)分类界限＞360≤360≥0.2＜0.2≥50＜50≥70＜70记录条数488948895582607730场地PGV/PGA0.1160.81.01.21.41.61.8CVs360/CVs360T(s)0.1160.81.01.21.41.61.8CPGV/PGA0.2/CPGV/PGA0.2T(s)0.1160.81.01.21.41.61.8CPGV50/CPGV50T(s)0.1160.81.01.21.41.61.8CMIV70/CMIV70T(s)峰值速度最大增量速度PGV/PGA是对近断层地震动位移比谱影响最大的地震动参数；其次是MIV和PGV；而场地条件对近断层非弹性位移比谱的影响较小。31•用PKPM软件按我国规范设计了5个钢筋混凝土框架结构。设防烈度7度（0.15g）、II类场地、设计地震分组为第一组。框架层数框架抗震等级基本周期FR0333级0.58FR0553级0.99FR0883级1.19FR12122级1.81FR18182级2.73六、应用于框架结构的修正32分析方法•分别计算每个结构在五个延性系数（2.0、3.0、4.0、5.0和6.0）下的最大非弹性顶点位移与对应地震动强度下最大弹性顶点位移的比值。之后将所有地震动记录的计算结果统计平均便得到了钢筋混凝土框架结构对应不同延性系数的平均非弹性位移比。1iFRCE33•将实际结构在不同延性条件下的非弹性位移比除以相应单自由度体系（基本周期相同）的非弹性位移比，便得到了考虑框架结构的单自由度位移比谱修正系数。340.00.51.01.52.02.53.01.21.82.43.03.64.2CFRAMET(s)0.00.51.01.52.02.53.01.51.82.12.42.73.0CFRAME/CSDOFT(s)框架结构位移比谱修正系数35•对修正系数进行拟合，得到如下简化公式拟合参数延性系数C0Ar2.01.49746.79032.87363.01.56455.71862.71594.01.62816.69393.05725.01.69386.77273.22896.01.77807.17253.62060/rTFRAMESDOFCCCAe36修正系数拟合曲线0.