08_地震作用和结构抗震验算工程_振动_稳定_全套_课件

第八章地震作用和结构抗震验算第八章地震作用和结构抗震验算抗震设计:抗震设计概念设计抗震计算抗震构造措施地震作用(水平，竖向）结构的地震反应结构、构件的地震作用效应（M,N,Q,变形)第八章地震作用和结构抗震验算一、结构抗震理论的发展1.静力理论阶段---静力法1920年，日本大森房吉提出。假设建筑物为绝对刚体。)(txgm)(txmg地震作用GkxgGxmFggmaxmaxgxkgmax---地震系数将F作为静荷载，按静力计算方法计算结构的地震效应。缺点：（1）没有考虑结构的动力特性；（2）认为结构是刚性的，即认为地震时结构上任一点的振动加速度均等于地面运动的加速度。第八章地震作用和结构抗震验算tatxgcos)(苏联扎夫里耶夫首先提出的，他认为地震地面运动可用余弦函数来描述，也即地面位移为teatxniitigi1sin)(苏联的柯尔琴斯基提出地面运动可用若干个不同振幅、不同阻尼和不同频率的衰减正弦函数的和来表示，也即2.定函数理论第八章地震作用和结构抗震验算1940年，美国皮奥特提出。地震作用GkFGk---重力荷载代表值---地震系数（反映震级、震中距、地基等的影响）---动力系数(反映结构的特性,如周期、阻尼等的影响)按静力计算方法计算结构的地震效应目前，世界上普遍采用的方法。3.反应谱理论—反应谱法第八章地震作用和结构抗震验算将实际地震加速度时程记录（简称地震记录earthquakerecord）作为动荷载输入，进行结构的地震响应分析。4.直接动力分析理论—时程分析法-2000200400t(sec)01020304050515253545Acceleration(cm/s)2第八章地震作用和结构抗震验算此外，有用随机振动理论来分析结构地震响应统计特征的，有以地震时输入结构的能量进行设计，使结构所吸收的能量不致造成结构破坏的理论等。但这些方法还没有进入抗震设计规范，因此未被抗震设计使用。5.非线性静力分析方法（PushOverAnalysis）第八章地震作用和结构抗震验算与各类型结构相应的地震作用分析方法不超过40m的规则结构：底部剪力法一般的规则结构：两个主轴的振型分解反应谱法质量和刚度分布明显不对称结构：考虑扭转或双向地震作用的振型分解反应谱法8、9度时的大跨、长悬臂结构和9度的高层建筑：考虑竖向地震作用特别不规则、甲类和超过规定范围的高层建筑：一维或二维时程分析法的补充计算第八章地震作用和结构抗震验算二、单质点或单自由度弹性体系地震反应第八章地震作用和结构抗震验算单自由度弹性体系计算简图：将结构参与振动的全部质量集中于一点，用无重量的弹性直杆支承于地面形成单质点体系，当该体系只作单向振动时，就形成了一个单自由度体系。如等高单层厂房、水塔等.单质点弹性体系计算简图（a）单层厂房及简化体系；（b）水塔及简化体系第八章地震作用和结构抗震验算地震作用反应谱理论大体有如下三点假定：1)结构物的地基为一刚性盘体，因此基础各点的运动完全一致，没有相位差。2)结构处于线性弹性状态。3)地震时的地面运动过程可以用地震记录来表示。第八章地震作用和结构抗震验算质点位移质点加速度惯性力弹性恢复力阻尼力运动方程)(tx)(txgmm)(gxxmkxxc1、运动方程的建立地震引起的地面运动位移质点相对地面的位移根据达朗贝尔原理，物体在运动中的任一瞬时，作用在物体上的外力与惯性力相互平衡，故还可以化简为：第八章地震作用和结构抗震验算)()()()(txmtkxtxctxmg单自由度体系在地面运动加速度作用下的动力效应，与在质点上加一动力荷载时所产生的动力效应相同。)(txg)(txmg-----常系数的二阶非齐次微分方程。它的解包含两部分：一是对应于齐次微分方程的通解，另一个是特解。前者表示自由振动，后者表示强迫振动。它的解是什么呢？第八章地震作用和结构抗震验算2、运动方程的解txxtxetxtsin)0()0(cos)0()(通解：21单自由度体系自由振动曲线第八章地震作用和结构抗震验算2、运动方程的解特解：d)(sin)(1)(0)(ttgtextx全解=通解+特解d)(sin)(1)(0)(ttgtextx在实际结构中，阻尼比的数值一般较小，其值大约在0.01-0.1间。21=0=0第八章地震作用和结构抗震验算d)(sin)(1)(0)(ttgtextx通过该式就可以求出单自由度弹性体系在地震作用下的振动反应，并可画出振动的时程曲线。但是由于地震的随机性，一次地震可能会出现多个地面运动加速度，就会有多个振动反应曲线，对于抗震设计来说还是很麻烦。其实在结构抗震设计中，我们更多地关心结构在地震持续过程中经受的最大地震作用以及质点振动响应的最大值。第八章地震作用和结构抗震验算最大位移反应质点相对于地面的速度为质点相对于地面的最大速度反应为d)(sin)(1)(0)(ttgtextx第八章地震作用和结构抗震验算质点相对于地面的最大加速度反应为质点的绝对加速度为第八章地震作用和结构抗震验算最大相对位移最大相对速度最大加速度最大反应之间的关系在阻尼比、地面运动确定后，最大反应只是结构周期的函数。单自由度体系在给定的地震作用下某个最大反应与体系自振周期的关系曲线称为该反应的地震反应谱。第八章地震作用和结构抗震验算相对位移反应谱t)(tygElcentro1940（N-S）地震记录)(ms2)(s第八章地震作用和结构抗震验算相对速度反应谱第八章地震作用和结构抗震验算绝对加速度反应谱第八章地震作用和结构抗震验算相对位移反应谱绝对加速度反应谱相对速度反应谱地震反应谱的特点：1.阻尼比对反应谱影响很大2.对于加速度反应谱，当结构周期小于某个值时幅值随周期急剧增大，大于某个值时，快速下降。3.对于速度反应谱，当结构周期小于某个值时幅值随周期增大，随后趋于常数。4.对于位移反应谱，幅值随周期增大。第八章地震作用和结构抗震验算不同场地条件对反应谱的影响:将多个地震反应谱平均后得平均加速度反应谱周期（s)岩石坚硬场地厚的无粘性土层软土层反应谱的主要影响因素：结构的阻尼比和场地条件。第八章地震作用和结构抗震验算（1）反映地震引起的地面运动特性（2）地震反应谱是现阶段计算地震作用的基础，通过反应谱把随时程变化的地震作用转化为最大的等效侧向力。地震反应谱的作用：t)(txgElcentro1940（N-S）地震记录)(ms2)(smF＝mSa动力计算静力计算第八章地震作用和结构抗震验算三、单自由度弹性体系地震反应谱法第八章地震作用和结构抗震验算---集中于质点处的重力荷载代表值；---重力加速度---地震系数---动力系数---水平地震影响系数结构在地震持续过程中经受的最大地震作用为：在结构抗震设计中，只需求出水平地震作用的最大绝对值。第八章地震作用和结构抗震验算GGkkgmmSFa计算水平地震作用的基本公式:地震系数动力系数水平地震影响系数设防烈度67(7.5)8(8.5)9地震系数k0.050.10(0.15)0.20(0.30)0.40设防烈度与地震系数的对应关系gtxkgmax)(1.地震系数表征地面运动强烈程度地面运动的最大加速度与重力加速度之比第八章地震作用和结构抗震验算max0)(maxd)(sin)(1ttggtexx2、动力系数maxgaxS单质点最大绝对加速度与地面最大加速度的比表示由于动力效应，质点的最大绝对加速度比地面最大加速度放大了多少倍。从上式可知，动力系数与地面运动加速度，结构自振周期以及阻尼比有关。－－－β与Ｔ的关系曲线称为β谱曲线，它实际上就是相对于地面加速度的加速度反应谱，两者在形状上完全一样。第八章地震作用和结构抗震验算当基本烈度确定，地震系数k为常数，α仅随β变化。建筑结构的地震影响系数α应根据烈度、场地类别、设计地震分组和结构自振周期以及阻尼比确定。3、地震影响系数α第八章地震作用和结构抗震验算由于地震的随机性，即使在同一地点、同一烈度，每次地震的地面加速度记录也很不一致；因此需要根据大量的强震记录计算出对应于每一条强震记录的反应谱曲线，然后统计求出最有代表性的平均曲线作为设计依据，这种曲线称为标准反应谱曲线。4、标准反应谱周期（）加速度（）周期（）加速度（）标准化第八章地震作用和结构抗震验算5、抗震设计反应谱kxSgxgSgagamaxmax为了便于计算，《抗震规范》采用水平地震影响系数α与体系自振周期Ｔ之间的关系作为设计用反应谱。（基于标准反应谱曲线）第八章地震作用和结构抗震验算抗震设计反应谱----地震影响系数；----地震影响系数最大值；----结构自振周期；----特征周期；----直线下降段的下降斜率调整系数；----阻尼调整系数；----衰减指数maxTgT12《建筑抗震设计规范》第八章地震作用和结构抗震验算)(sT01.0gTgT50.6max2max45.0max2)(TTgmax12)]5(2.0[gTT抗震设计反应谱的参数取值1、结构自振周期T(2)多质点体系----近似计算2、特征周期gT(1)单自由度体系----质点在单位水平集中力作用下产生的侧移gGT/2第八章地震作用和结构抗震验算设计地震分组场地类别ⅠⅡⅢIV第一组0.250.350.450.65第二组0.300.400.550.75第三组0.350.450.650.90设计特征周期Tg值抗震设计中，设计特征周期Tg的取值根据“设计地震分组”确定。第八章地震作用和结构抗震验算)(sT01.0gTgT50.6max2max45.0max2)(TTgmax12)]5(2.0[gTT地震影响烈度6789多遇地震0.040.08（0.12）0.16（0.24）0.32罕遇地震—0.50（0.72）0.90（1.20）1.40maxmaxk3.水平地震影响系数最大值（阻尼比0.05）括号内的数字分别对应设计基本加速度0.15g和0.30g地区的地震影响系数。第八章地震作用和结构抗震验算)(sT01.0gTgT50.6max2max45.0max2)(TTgmax12)]5(2.0[gTT4、对应于阻尼比等于0.05和不等于0.05，抗震设计反应谱的形状参数（、、）不同.127.106.005.01255.005.09.0805.002.01第八章地震作用和结构抗震验算抗震设计反应谱的曲线特征：曲线由四部分组成，其值也由四部分构成。第八章地震作用和结构抗震验算12341直线上升段：2水平段：max205.0时,,,。129.002.01max2TTg3曲线下降段：55.005.09.0max9.0TTgmax12)5(2.0gTT4直线下降段：8/)05.0(02.01max9.0)5(02.02.0gTT0T时(刚体)，，1maxmaxmaxmax45.025.2kkmaxmax2max45.07.106.005.01205.02or第八章地震作用和结构抗震验算解：（1）求结构体系的自振周期例：单层单跨框架。屋盖刚度为无穷大，质量集中于屋盖处。已知设防烈度为8度，设计地震分组为二组，Ⅰ类场地；屋盖处的重力荷载代表值G=700kN，框架柱线刚度,阻尼比