地震工程学大作业

目录一、题目..............................................................................................................................................1二、解答..............................................................................................................................................12.1框架设计.....................................................................................................................................12.1.1钢框架内力计算...............................................................................................................22.1.2钢梁验算..........................................................................................................................32.1.3钢柱验算...........................................................................................................................42.2钢框架杆件模型弹性分析..........................................................................................................52.2.1钢框架弹性阶段分析......................................................................................................52.2.2简谐波下的结果分析.......................................................................................................72.3钢框架弹塑性阶段分析..............................................................................................................82.3.1弹塑性分析介绍...............................................................................................................82.3.2恢复力模型介绍...............................................................................................................82.3.3克拉夫（Clough）退化双线模型...................................................................................92.3.4纤维模型理论.................................................................................................................102.3.5克拉夫模型地震波反应计算.........................................................................................142.3.5纤维模型弹塑性地震反应计算.....................................................................................17参考文献..........................................................................................................................................221/22一、题目1.设计并确定结构模型：如图所示平面框架，跨度L=6m，层高H=3.6m，榀距4m。请首先设计确定框架杆件截面，需考虑楼面恒荷载和楼面活荷载（活荷载可为2.5kN/m2）。2.弹性阶段：观察共振现象首先计算自振频率，然后采用简谐波进行弹性阶段计算。（输入波的幅值保持不变，改变频率与自振频率的比值分别为：0.25，0.5，1.0，1.5，2.0）3.计算弹塑性地震反应以El-centroN-S波为基本波，改变幅值，从弹性阶段计算至弹塑性阶段，直至破坏。分别采用以下两种模型，并比较两种模型的差异：1）杆件模型：恢复力模型，如混凝土结构采用武田三线性模型，钢结构可采用Clough模型；2）截面模型：采用纤维模型。二、解答2.1框架设计楼板采用混凝土板，板厚为110mm。荷载计算：楼面荷载：30厚水泥砂浆结合层：20.03200.60kN/m110厚现浇混凝土楼板：20.11252.8kN/m2/2215厚混合砂浆天棚抹灰：20.015170.26kN/m合计：23.66kN/m本框架中采用现浇混凝土楼板，可视为刚性铺面，能够阻止主梁上翼缘的侧向失稳，而不需考虑其整体稳定，只需满足其强度、刚度和局部稳定要求。本框架的梁选用宽翼缘H型钢梁。框架梁的跨度为6m，按高跨比1/10~1/20，选取HN200×500×10×16。框架梁自重为0.77kN/m。相应的梁柱截面参数见表1。表2.1梁柱构件截面特性构件截面尺寸A(cm2)Ix(cm4)Wx(cm3)自重(kN/m)梁HN500×200×10×16114.24780019100.896柱HN400×200×8×1384.122370011900.660作用在梁上的恒荷载为：恒荷载：0.893.66417.56kN/m63g活荷载：2.5410kN/mq作用在柱上的恒荷载：10.660kN/mg图2.1作用在框架上的恒载2.1.1钢框架内力计算利用MIDAS计算平面框架的内力，得到其内力图如图2.2所示。gq1g3/22a)弯矩图（单位：kN*m）b)剪力图（单位：kN）c)轴力图（单位：kN）图2.2钢框架内力图2.1.2钢梁验算抗弯强度验算：MmaxγxWnx=62.7×1061.05×1910×103=52.83N/mm2215N/mm2满足要求抗剪强度验算：40.840.862.740.840.817.617.6-16.216.216.216.2-69.0-16.2745-69.03-69.069.0-69-69.0904/22τ=VmaxSInxtw=69.0×103×1.05×1064.78×108×10=25.63N/mm2125𝑁/mm2满足要求刚度验算：均布荷载标准值0.893.66417.56kN/m63g跨中挠度与跨度的比值ωL=5ql3384EIx=5×17.536×60003384×2.06×105×4.78×108=5.97×10−41400满足要求整体稳定验算：设主梁跨中位置有侧向支撑，主梁受压翼缘的自由长度L1等于3m，L1与梁受压翼缘宽度b1之比为L1b1=3000200=1516因此，梁的整体稳定性满足要求。2.1.3钢柱验算强度验算：惯性矩Ix=2.37×108mm4Iy=1.74×107mm4回转半径ix=168mmiy=45.4mm长细比λx=l0xix=3600168=21.43λy=l0yiy=360045.4=79.30查表得，φ=0.582，则σ=NφA=69.03×1030.582×8.412×103=24.41N/mm2215𝑁/mm2满足要求5/22局部稳定验算：翼缘bt=9613=7.38(10+0.1λ)√235fy=10+0.1×79.30=17.93腹板h0tw=3748=46.75(25+0.5λ)√235fy=25+0.5×79.30=64.65满足要求刚度验算：λmax=79.30[λ]=150满足要求2.2钢框架杆件模型弹性分析2.2.1钢框架弹性阶段分析首先计算自振频率，然后采用简谐波进行弹性阶段计算。（输入波的幅值保持不变，改变频率与自振频率的比值分别为：0.25，0.5，1.0，1.5，2.0）。由于是水平抗震分析，故在用Midas-Gen进行自振周期计算时仅需考虑X方向（结构分析类型为X-Z平面），将1.0恒载+0.5活载以及自重转化为质量，且将自重转化为集中质量，体系只有两个自由度，采用子空间迭代法，迭代振型为两阶，分析后表明第一阶的振型参与质量就达到了100%，故仅需考虑第一阶振型即该框架变成了单自由度体系，图4为该框架的振型图。弹塑性时程分析中静力荷载取1.0DL+0.5LL作用在结构上，在midas-Gen分析中将此荷载转化为质量，通过特征值分析，结构自振频率与周期见表2.2，其中1、2阶模态如图2.3所示。表2.2结构自振频率与周期阶数1阶2阶自振频率(Hz)5.21593451.925757自振周期(s)0.1917200.0192586/22a)第一阶模态b)第二阶模态图2.3结构模态图结构阻尼矩阵采用瑞雷阻尼假定，1、2阶阻尼比均取2%。图2.40.25倍基频谐振力下左柱顶点加速度响应时程图2.50.5倍基频谐振力下左柱顶点加速度响应时程7/22图2.6基频谐振力下左柱顶点加速度响应时程图2.71.5倍基频谐振力下左柱顶点加速度响应时程图2.82倍基频谐振力下左柱顶点加速度响应时程2.2.2简谐波下的结果分析共振下结构仍处于弹性状态，从而保证了简谐波作用下的分析为弹性分析。由于均采用Newmark时程分析方法，杆模型与纤维模型计算结果一致。从而可以看出弹性状态下，虽然纤维模型相比杆模型截面划分更精细，但对计算结果精度提高很小。观察共振现象，由于结构各阶频率相距较远，取激励频率在结构一阶自振频率附近变化观察共振8/22反应。当激励频率小于结构一阶自振频率时，在阻尼作用下结构很快达到稳态反应；当激励频率等于结构一阶自振频率时，结构出现共振反应，结构位移逐渐增大，由于阻尼的存在，最后达到稳态反应。当激励频率大于结构一阶自振频率时，结构位移反应幅值开始阶段较大，并逐渐减小达到稳态反应。在保持相同激励幅值时，结构共振下的位移反应相比非共振下大的多。2.3钢框架弹塑性阶段分析2.3.1弹塑性分析介绍结构弹塑性动力分析的基本动力方程为：[]{}[]{}{}[]{}gMUCUFMU（2.3.1）其中，{}F为非线性恢复力向量。上式的增量方程为：[]{}[]{}[]{}[]{}jjjgjMUCUKUMU（2.3.2）式（2.3.1）可用动力分析的逐步积分法求解。全量形式的动力方程为{}[]{}pFKU。在采用数值分析技术的前提下，结构线性地震反应分析与非线性地震反应分析的主要差别在于刚度矩阵是否