04荷载与结构设计方法

单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,第,4,章 地震作用,1.,71,第,4,章 地 震 作 用,返回总目录,地震的有关知识,地 震 作 用,多质点体系的地震作用,习题与思考题,本章内容,一、地震的产生和类型,地震分为天然地震和人工地震两大类。天然地震主要是构造地震，它是由于地下深处岩石破裂、错动把长期积累起来的能量急剧释放出来，以地震波的形式向四面八方传播出去，到地面引起的房摇地动。构造地震约占地震总数的,90%,以上。其次是由火山喷发引起的地震，称为火山地震，约占地震总数的,7%,。此外，某些特殊情况下了也会产生地震，如岩洞崩塌,(,陷落地震,),、大陨石冲击地面,(,陨石冲击地震,),等。,人工地震是由人为活动引起的地震。如工业爆破、地下核爆炸造成的振动；在深井中进行高压注水以及大水库蓄水后增加了地壳的压力，有时也会诱发地震,地震的有关知识,为了减轻或避免地震带来的损失，就需要对地震有较深入的了解，研究如何防止或减少建,(,构,),筑物由于地震而造成的破坏。本节先就地震的有关基本知识进行简要介绍。,一、地震的产生和类型,地震分为天然地震和人工地震两大类。天然地震主要是构造地震，它是由于地下深处岩石破裂、错动把长期积累起来的能量急剧释放出来，以地震波的形式向四面八方传播出去，到地面引起的房摇地动。构造地震约占地震总数的,90%,以上。其次是由火山喷发引起的地震，称为火山地震，约占地震总数的,7%,。此外，某些特殊情况下了也会产生地震，如岩洞崩塌,(,陷落地震,),、大陨石冲击地面,(,陨石冲击地震,),等。,人工地震是由人为活动引起的地震。如工业爆破、地下核爆炸造成的振动；在深井中进行高压注水以及大水库蓄水后增加了地壳的压力，有时也会诱发地震。,二、地震成因,引起构造地震的成因与地球的构造和地质运动有关，地球的构造如图,4.1,所示。,地震的有关知识,图4.1 地球的构造,地壳是由各种结构不均匀、厚薄不一的岩层组成。地球上绝大部分地震都发生在这一层薄薄的地壳内。,地幔主要是由两部分构成：外部主要是,40,70km,厚的结构较均匀的质地坚硬的橄榄石岩层，内部是厚度约几百公里呈塑性状态并具有粘弹性质的软流层。,到目前为止，所观测到的地震深度最深为,700km,，即地震仅发生于地球表面部分,地壳内和地幔外部。,由地质勘探可知，地表以下越深，温度越高。经推算，地壳以下地幔外部的温度大于,1000,，在这样的高温下，地幔的物质变得具有流动性，又由于地幔越往地球内部温度越高，构成地幔热对流，引起地壳岩层的地质运动。除地幔热对流外，地球的公转和自转、月球和太阳的引力影响等，也会引起地质运动，但目前普遍认为地幔热对流是引起地质运动的主要原因。地球内部在运动过程中，孕育了巨大的能量，能量的释放在地壳岩层中产生强大的地应力，使原本水平状的岩层在地应力作用下发生变形。当地应力只能使岩层产生弯曲而未丧失其连续完整性时，岩层仅仅能够发生褶皱；当地应力引起的变形超过某处岩层的本身极限应变时，岩层就发生突然断裂和猛烈错动，而承受应变的岩层在其自身的弹性应力作用下发生回跳，弹回到新的平衡位置。在回弹过程中，岩层中原先积累的应变能全部释放，并以弹性波的形式传到地面，从而使地面随之产生强烈振动，形成地震，如图,4.2,所示，这就是地震成因之一的断层说。,地震的有关知识,二、地震成因,板块学说则认为，地壳和地幔外部厚,70,100km,的岩石层，是由欧亚板块、太平洋板块、美洲板块、非洲板块、印澳板块和南极板块等大大小小的板块组成，类似一个破裂后仍连在一起的蛋壳，板块下面是呈塑性状态并具有粘弹性质的软流层。软流层的热对流推动软流层上的板块做刚体运动，从而使各板块互相挤压、碰撞，致使其边缘附近岩石层脆性破裂而引发地震。板块学说更易于解释地球上的主要地震带主要分布在板块的交界地区的原因，据统计，全球,85%,左右的地震发生在板块边缘及附近，仅有,15%,左右发生在板块内部。,岩层原始状态,(b),褶皱变形,(c),断裂错动,图,4.2,构造运动与地震形成示意图,图,4.3,所示的是有关地震的几个术语。震源即发震点，是指岩层断裂处。震源正上方的地面地点称为震中。震中至震源的距离为震源深度。地面某处到震中的距离称为震中距。,图4.3 地震术语示意图,地震按震源的深浅分，可分为浅源地震,(,震源深度小于,60 km),、中源地震,(,震源深度为,60,300 km),和深源地震,(,震源深度大于,300 km),。破坏性地震一般是浅源地震，发生的数量也最多，约占世界地震总数的,85%,。当震源深度超过,100 km,时，地震释放的能量在传播到地面的过程中大部分被损失掉，故通常不会在地面造成震害。我国发生的地震绝大多数是浅源地震，震源深度一般为,5,50 km,。如,1976,年的唐山地震的震源深度为,12 km,。,三、地震分布,地震虽然是一种随机现象，但从对已发生地震分布的统计中仍可得到其呈现某种规律性。由图,4.4,可见地球上的地震主要分布在环太平洋带,(,活动最强，约全球地震总数的,75%,左右发生于此,),，阿尔比斯,-,喜马拉雅带，大西洋中脊和印度洋中脊,(,约全球地震总数的,22%,左右发生于此,),上。总的来说，地震主要发生在洋脊和裂谷、海沟、转换断层和大陆内部的古板块边缘等构造活动带。图,4.5,展示了,19952001,年全球,4,级以上地震震中分布图。,图,4.4,世界两个地震带示意图,图,4.5 1995,2001,年全球,4,级以上地震震中分布图,我国地处世界两大地震带的交汇处，因此地震发生频繁，且强度较大。我国的地震分布如图,4.6,所示，其中台湾地区东部是我国地震活动最强、频率最高的地区。,图,4.6,我国的强震级地震带及地震活动最强、频率最高的地区分布图,四、地震波、震级及地震烈度,1.,地震波,地震时，将引起周围介质运动，并以波的形式从震源向各个方向传播并释放能量，这就是地震波。地震波是一种弹性波，它包括在地球内部传播的体波和只限于在地面附近传播的面波。,体波中包含两种形式的波，即纵波,(P,波,),和横波,(S,波,),。,纵波是由震源向外传播的疏密波，在传播过程中，其介质质点的振动方向与波的前进方向一致，从而使介质不断地压缩和疏松，故纵波又被称为压缩波或疏密波。其特点是周期较短，振幅较小，波速快。在地壳内的速度一般为,200,1400m/s(,图,4.7(a),。,纵波的传播速度可按下列公式计算：,(4-1),式中，,E,介质弹性模量；,介质密度；,介质的泊松比。,纵波引起地面垂直方向振动。,横波是由震源向外传播的剪切波，在传播过程中，其介质质点的振动方向与波的前进方向垂直。横波又被称为剪切波，其特点是周期较长，振幅较大，波速慢，在地壳内的速度一般为,100,800m/s (,图,4.7(b),。,横波的传播速度可按下列公式计算：,(4-2),式中，,G,介质剪切模量。其余同前。,横波引起地面水平方向振动。,(a),纵波,(,压缩波,) (b),横波,(,剪切波,),当取,=0.25,时， 。,由此可知，纵波的传播速度比横波的传播速度要快。亦就是发生地震时，在地震仪上首先记录到的地震波是纵波也被称为“初波”,(Primary Wave),或,P,波，随后记录到的才是横波也被称为“次波”,(Secondary Wave),或,S,波。,横波只能在固体中传播，这是因为流体不能承受剪应力。纵波在固体和液体内部都能传播，由于地球的层状构造特点，当体波经过地球的各层界面时，会发生反射和折射。当投射到地面时，又产生两种仅沿地面传播的次生波,面波，即瑞雷波,(R,波,),和洛甫波,(L,波,),。瑞雷波传播时，质点在波的传播方向与地表面法向组成的平面,(xz,平面,),内,(,图,4.8(a),作与波前进方向相反的椭圆形运动，故此波呈现滚动形式，由于其随距地面深度增加其振幅急剧减小，导致地下建筑物较地上建筑物受地震影响较小；洛甫波传播时，将使质点在地平面,(xy,平面,),内做与波的前进方向相垂直的水平方向,( y,方向,)(,图,4.8(b),，即在地面上做蛇形运动，其也随距地面深度增加而振幅急剧衰减。与体波相比，面波波速慢，周期长，振幅大，衰减慢，能传播到很远的地方。,图,4.8,面波质点振动,图4.9 地震波记录图,地震波的传播速度，以纵波最快，横波次之，面波最慢。纵波使建筑物产生上下颠簸，横波使建筑物产生水平摇晃，而面波使建筑物既产生上下颠动又产生水平晃动，振动方向复杂。当横波和面波都到达时振动最为强烈,(,图,4.9),。一般情况下，面波的能量比体波大，造成建筑物和地表的破坏主要以面波为主。,2.,震级,震级是表征地震强弱的量度，通常用字母,M,表示，它与地震所释放的能量有关。但由于人们所能观测到的只是传播到地表的振动，即地震仪记录到的地震波，因此仅能用振幅大小来衡量地震的等级。,按震级大小可把地震划分为以下几类。,(1),弱震震级小于,3,级。如果震源不是很浅，这种地震人们一般不易觉察。,(2),有感震震级等于或大于,3,级、小于或等于,4.5,级。这种地震人们能够感觉到，但一般不会造成破坏。,(3),中强震震级大于,4.5,级、小于,6,级。属于可造成破坏的地震，但破坏轻重还与震源深度、震中距等多种因素有关。,(4),强震震级等于或大于,6,级。其中震级大于等于,8,级的又称为巨大地震。,3.,地震烈度,地震烈度是指某地区地面遭受一次地震影响的强弱程度。地震震级与地震烈度是两个不同的概念。一次地震，只有一个震级，如同炸弹的装药量是一定的，但烈度对于不同地点却不同，即对于不同地点的影响是不同的，震中距越大，地震影响越小，烈度越低；震中距越小，地震影响越大，烈度越高。震中区的烈度称为震中烈度，震中烈度往往最高。如同炸弹爆炸中心附近破坏力大，而距爆炸中心越远，破坏力越小。震级越大，确定地点上的烈度也越大。,地震烈度是根据地震时人的感觉、器物的反应、建筑物破坏和地表现象等地震造成的后果进行分类的。目前我国和世界上绝大多数国家都采用,12,等级划分。,4.,震级和地震烈度的关系,定性的讲震级越大，确定地点上的烈度也越大；定量的关系只在特定条件下存在大致的对应关系，根据我国的地震资料，对于多发性的浅源地震,(,震源深度在,10,30km),，可建立起震中烈度,I0,与震级,M,之间近似关系见表,4-3,。,对应公式为：,(4-5),对于非震中区，利用烈度随震中距衰减的函数关系，可建立的公式为：,(4-6),震中烈度,I,0,1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,震级,M,1.9,2.5,3.1,3.7,4.3,4.9,5.5,6.1,6.7,7.3,7.9,8.5,一、地震烈度区划与基本烈度,工程抗震为对已有工程进行抗震加固和对新建工程进行抗震设防，我们必须预测某地地震发生的强度大小，一般采用的方法是基于概率统计的地震预测。即将随机发生的地震，根据区域性地质构造、地震活动性和历史地震资料，划分潜在震源区，分析震源地震活动性，确定地震衰减规律，利用概率方法评价该地区未来一定期限内遭受不同强度地震影响的可能性，给出用概率形式表达的地震烈度区划或其他地震动参数，作为抗震设防的依据。,经国务院批准已由国家地震局和建设部于,1992,年,6,月颁布实施的,中国地震烈度区划图,(1990),就是基于这种方法编制的。该图用基本烈度表示各地方存在地震的危险性和危害程度。基本烈度是指：,50,年期限内，一般场地条件下，可能遭受超越概率为,10%,的烈度值。该区划图把全国划分为基本烈度不同的,5,个地区，,建筑抗震设计规范,(GB 500112001),规定，一般情况下可采用地震烈度区划图上给出的基本烈度作为建筑抗震设计中的抗震设防烈度。,震害经验表明：同一地区不同场地上的建筑物震害程度有着明显差异，局部场地条件对地震动特性和地震破坏效应存在较大影响。,建筑抗震设计规范,(GB 500112001),规定对做过地震小区划的地区，可采用抗震主管部门批准使用的设防烈度和设计地震动参数。地震小区划就是在大区划,(,地震烈度区划,),的基础上，考虑局部范围的地震地质背景、土质条件、地形地貌，给出一个城市或一个大的工矿企业内的地震烈度和地震动参数。为工程抗震提供更为经济合理的场地地震特性评价。,一般说来，震级较大震中距较远的地震对长周期柔性结构的破坏，比同样烈度下震级较小震中距较近的地震造成的破坏要重。产生这种现象的主要原因是“共振效应”。即地震波中的高分量随传播距离的衰减比低频分量要快，震级大震中距远的地震波其主导频率为低频分量，与长周期的高结构自振周期接近所致。,为了反映同样烈度下，不同震级和震中距的地震引起的地震动特征不同和对结构造成的不同破坏程度及对建筑物的影响，补充和完善烈度区划图的烈度划分，,建筑抗震设计规范,(GB 500112001),将建筑工程的设计地震划分为三组，近似反映近、中、远震的影响，不同设计地震分组，采用不同设计特征周期和设计基本地震加速度值。,地震释放的能量以波的形式传到地面，引起地面振动。振动过程中作用在结构上的惯性力就是地震作用，它使结构产生内力，发生变形。,地震作用是建筑抗震设计的基本依据，其数值大小不仅取决于地面运动的强弱程度，而且与结构的截面特性即自振周期、阻尼等直接相关。目前采用反应谱理论来计算地震作用。,一、单自由度弹性体系地震作用,1.,计算简图,对于各类工程结构，其质量沿结构高度是连续分布的或质量大都集中在屋盖或桥面处。为了便于分析，减少计算工作量把结构的全部质量假想地集中到若干质点上，结构杆件本身则看成是无重弹性直杆即集中质量法如图,4.10,所示，使计算得到简化，并能够较好地反映它的动力性能。,在结构抗震分析中，如果只需要一个独立参数就可确定其弹性变形位置，则该体系即为单自由度体系。,图,4.10,单质点体系计算简图,2.,运动方程,尽管地震地面运动是三维运动，但若结构处于弹性状态，一般假定地基不发生运动，而把地基运动分解为一个竖向分量和两个水平分量，然后分别计算这些分量对结构的影响。,图,4.11,为单质点体系在地震作用下的计算简图。图示单自由度弹性体系在地面水平运动分量的作用下产生振动，,x0(t),表示地面水平位移，它的变化规律可通过地震时地面运动实测记录得到；,x(t),表示质点相对于地面的位移反应，是待求的未知量。,图,4.11,单质点体系在地震作用下的运动,2.,运动方程,尽管地震地面运动是三维运动，但若结构处于弹性状态，一般假定地基不发生运动，而把地基运动分解为一个竖向分量和两个水平分量，然后分别计算这些分量对结构的影响。,图,4.11,为单质点体系在地震作用下的计算简图。图示单自由度弹性体系在地面水平运动分量的作用下产生振动，,x,0,(t),表示地面水平位移，它的变化规律可通过地震时地面运动实测记录得到；,x(t),表示质点相对于地面的位移反应，是待求的未知量。,图,4.11,单质点体系在地震作用下的运动,为了建立运动方程，取质点,m,为隔离体，由结构动力学可知，作用在质点上有,3,种力。,(1),惯性力,I,。,为质点的质量和绝对加速度的乘积，方向与加速度方向相反。,(4-7),(2),阻尼力,D,。,它是在结构振动过程中由于材料内摩擦，地基能量耗散，外部介质阻力等因素，使振动能量逐渐损耗，结构振动不断衰减的力。,(4-8),(3),弹性恢复力,S,。,它是由于弹性杆变形而产生的使质点从振动位置恢复到平衡位置的一种力。,S= -kx(t) (4-9),式中,质点相对于地面的位移、速度和加速度；,地面运动加速度；,c,体系阻尼系数。,k,弹性支承杆的刚度，即质点发生单位水平位移时，需在质点上施加的力。,根据达朗贝尔原理，得：,(4-10),为使方程进一步简化，设：,(4-11),(4-12),式中，,无阻尼自振圆频率，简称自振频率；,阻尼系数,c,与临界阻尼系数,cr,的比值，简称阻尼比。,将 、 表达式代入式,(4-10),，可得：,(4-13),式,(4-13),即为单质点弹性体系在地震作用下的运动微分方程，这是一个常系数二阶非齐次微分方程，直接求解可得单自由度体系的地震反应。,由常微分方程理论和动力学理论可知式,(4-13),的解包含两部分，一个是微分方程对应的齐次方程的通解,代表自由振动，另一个是微分方程的特解,代表强迫振动。,单质点弹性体系自由振动齐次方程,的解对于一般结构，通常阻尼较小，当,1,时，其解为：,(4-15),式中， 分别为,t=0,时体系的初始位移和初始速度 ； 为有阻尼体系的自振频率，对于一般结构，其阻尼比,小于,0.1,，因此，有阻尼自振频率 和无阻尼自振频率,很接近，即 。也就是说，在计算体系的自振频率时，可不考虑阻尼影响。,当无阻尼时，式,(4-14),中,=0,，可得无阻尼的单自由度体系自由振动方程：,(4-16),地 震 作 用,图,4.12,不同阻尼比自由振动曲线,其解为：,(4-17),图,4.12,为不同阻尼比的自由振动曲线。比较各曲线可知，无阻尼时，振幅始终不变；有阻尼时，振幅逐渐衰减；阻尼比愈大，振幅衰减愈快。,地 震 作 用,图,4.12,不同阻尼比自由振动曲线,(2),单质点弹性体系自由振动非齐次方程,地 震 作 用,(1),瞬时冲量及其引起的自由振动。,设一荷载,P,作用于单自由度体系，且荷载随时间的变化关系如图,4.13(a),所示，则把荷载,P,与作用时间 的乘积 称为冲量。当作用时间很短，作用时间为瞬时,dt,时，则称为瞬时冲量。根据动量定律，冲量等于动量的改变量，即,(4-18),在冲击荷载作用之前，初速度,v,0,=0,，初位移也等于零；在冲击荷载完毕瞬间，体系在瞬时冲量作用下获得速度,v=Pdt/m,，此时体系位移是二阶微量，在荷载作用期间,dt,内可认为位移为零。这样原来静止的体系在瞬时冲量作用之后，将以初位移为零，初速度为,Pdt/m,作自由振动。由自由振动的解,(4-15),式，令其中的初位移,x(0)=0,，初速度,(0)= Pdt/m,，得：,(4-19),其位移时程曲线如图,4.13(b),所示。,地 震 作 用,(2),杜哈默,(Duhamel),积分。,在方程,(4-14),中，其 可视为作用在单位质量上的动力荷载。假设动力荷载随时间的变化关系如图,4.14(a),所示，将其化为无数多个连续作用的瞬时荷载，则在,t,=,时，瞬时荷载为 ，瞬时冲量为 ，如图,4.14(a),中阴影面积所示。则将式,(4-19),中的,P,d,t,改为 ，并取,m,=1,，将,t,改为,(,t,-),，可得体系时刻作用的瞬时冲量。在任一时刻,t,的位移如图,4.14(b),所示：,(4-20),图,4.13,瞬时冲量及其引起的自由振动,图,4.14,地震作用下的质点位移分析,地 震 作 用,体系的总位移反应可以看作是时间,=0,到,=t,所有瞬时冲量作用效果叠加，对上式从,0,t,进行积分，得：,(4-21),上式称为杜哈曼积分，即为单质点弹性体系自由振动非齐次方程的特解，它与齐次方程的解释,(4-16),之和构成方程的通解。,由于体系在地震波作用之前处于静止状态，其初始条件 ，齐次解为零，所以式,(4-21),就是方程的通解。,3.,地震作用的基本计算公式,作用于单自由度弹性体系质点上的惯性力：,(4-22),由式,(4-10),可得：,(4-23),相对于 来说， 很小，可以略去得到：,(4-24),可见在地震作用下质点产生的相对位移,x(t),与惯性力,F(t),成正比，某瞬间结构所受地震作用可以看成是该瞬间结构自身质量产生的惯性力的等效力。,利用杜哈曼积分，并忽略阻尼对频率影响，取 ，得：,(4-25),在结构抗震设计中，水平地震作用一般只须求出其最大绝对值，则得：,(4-26),若用最大绝对加速度,Sa,表示，则：,(4-27),地 震 作 用,式中：,(4-28),(4-29),Sa,可通过反应谱理论确定。工程结构抗震设计不能采用某一确定地震记录的地震反应谱，而应考虑地震地面运动的随机性，确定一条供设计用反应谱，称为设计反应谱。它根据大量强震记录并按场地类别及震中距远近分别做出反应谱曲线，从中找出有代表性的平均曲线作为抗震设计的依据。但,建筑抗震设计规范,(GB 500112001),不是直接通过,Sa,确定地震作用，而是利用间接手段分别确定地震系数 和动力系数 ，进而求出作用在质点上的水平地震作用。将,(4-27),式改写成下列形式：,(4-30),式中， 为地震时地面运动最大加速度； 为建筑的重力荷载代表值。,在式,(4-30),中，只要确定了地震系数,k,和动力系数,，就能求出作用在质点上的水平地震作用,F,。接下来分别讨论,k,和 的确定方法。,地 震 作 用,1),地震系数,地震系数,k,是地面运动的最大加速度与重力加速度的比值，即：,地震系数,k,反映了地面运动的强弱程度，地面加速度愈大，地震的影响就越强烈，即地震烈度越大，地震系数,k,也就越大。两者之间存在着某种一一对应的关系。根据统计分析，地震烈度每增加一度，,k,值增加一倍，见表,4-4,。,需要指出，烈度是通过宏观震害调查判断的，而,k,值中的 是从地震记录中获得的物理量，宏观调查结果和实测物理量之间既有联系又有区别。由于地震是一种复杂的地质现象，造成结构破坏的因素不仅取决于地面运动的最大加速度，还取决于地震动的频谱特征和持续时间，有时会出现 值较大，但由于持续时间很短，烈度不高、震害不重的现象。表,4-4,反映的关系是具有统计特征的总趋势。,表,4-4,地震烈度,I,与地震系数,k,的关系,地 震 作 用,地震烈度,I,6,7,8,9,地震系数,k,0.05,0.10,0.20,0.40,2),动力系数,动力系数 是单质点体系在地震作用下最大反应加速度与地面运动加速度的比值。它实质上是规则化的地震反应谱，剔除了地面运动幅值对地震反应谱的影响，但仍包含地面运动频谱对地震反应谱的影响。即：,也可以说动力系数 是质点最大加速度比地面最大加速度的放大倍数。因为当 增大或减小时，,Sa,相应随之增大或减小，因此,值与地震烈度无关，这样就可以利用所有不同烈度的地震记录进行计算和统计。将式,(4-29),代入式,(4-32),，,(T),的表达式可写成,(4-33),可见，动力系数,与地面运动加速度、结构自振周期,T,和结构阻尼,有关。选取一条地震加速度记录，则 就已知，再给定一个阻尼比,，对于不同周期的单质点体系，利用式,(4-33),能够算出相应的动力系数,，把,按周期大小的次序排序起来，得到,-T,关系曲线，这就是动力系数反应谱。因为动力系数 是单自由度体系质点的最大反应加速度,Sa,与地面最大运动加速度 的比值，所以 曲线实质上是加速度反应谱曲线。,地 震 作 用,由图,4.15,的某一,-T,曲线可见，当结构自振周期,T,小于某一数值,T,g,时， 反应谱曲线将随,T,的增大波动增长；当,T=T,g,时，动力系数 达到峰值；当,T,大于,T,g,时，曲线波动下降。这里的,T,g,就是对应反应谱曲线峰值的结构自振周期，这个周期与场地的振动卓越周期相符。所以，当结构的自振周期与场地的卓越周期相近时，结构的地震反应最大。这种现象与结构在动荷载作用下的共振相似。因此，在结构抗震设计中，应使结构的自振周期避开场地卓越周期，以免发生类共振现象。,进一步从理论上分析,-T,反应谱曲线。若,T=0,，则表明该体系为绝对刚体,(,图,4.16(a),，质点与地面之间无相对运动，即 ，故,=1,。若单质点体系的自振周期,T,很大，则表示该体系的质点和地面之间的弹性联系很弱，质点基本处于静止状态,(,图,4.16(b),，质点的绝对加速度,Sa,趋于零，,亦趋于零。,地 震 作 用,图,4.15,谱曲线,(=0.05),(a),绝对刚体,(b),联系很弱,图,4.16,质点与地面联系,3),标准反应谱,反应谱曲线的形状受多种因素影响，其中场地条件影响最大。场地土质松软，长周期结构反应较大，,谱曲线峰值右移；场地土质坚硬，短周期结构反应较大，,谱曲线峰值左移。图,4.17(a),给出了不同土质条件对,谱曲线的影响，为反映这种影响可按场地条件分别绘出它们的反应谱曲线。,另外震级和震中距对谱曲线也有影响，在烈度相同的情况下，震中距较远时，加速度反应谱的峰点偏向较长周期，曲线峰值右移；震中距较近时，峰点偏向较短周期，曲线峰值左移,(,图,4.17(b),。,地 震 作 用,(a),场地条件对谱曲线的影响,(b) 震级与震中距对 谱曲线的影响,图4.17 影响反应谱的因素,可见，即使是相近场地条件和相近震中距的地震记录，其动力系数也不尽相同，存在有离散性。为方便工程抗震的设计，一般采用大量同类地震记录的统计平均谱，并加以规则平滑后具有地震反应谱的形式。为反映这种影响，应根据设计地震分组的不同分别给出反应谱参数。,4.,地震作用的计算,地震系数,k,和动力系数,分别是表示地面振动强烈程度和结构地震反应大小的两个参数，为了便于计算，,建筑抗震设计规范,(GB 500112001),采用相对于重力加速度的单质点绝对最大加速度，即,Sa/g,与体系自振周期,T,之间的关系作为设计用反应谱。并将,Sa/g,用 表示， 称为地震影响系数。,(T)= k,=Sa/g(4-34),利用式,(4-30),可将式,(4-34),写成：,F=,(T)G (4-35),因此,(T),实际上就是作用于单质点弹性体系上的水平地震力与结构重力之比。,建筑抗震设计规范,(GB 500112001),就是以地震影响系数,(T),作为设计参数，并以图的地震影响系数,(T),曲线,(,经平滑处理和适当调整,),作为设计依据的反应谱。,地 震 作 用,一般建筑结构的阻尼比应取,=0.05,，地震影响系数曲线的阻尼调整系数应按,1.0,采用。地震影响系数,是根据地震烈度、场地类别、设计地震分组和结构自振周期以及阻尼比确定的。从图,4.18,中可见，,反应谱曲线由,4,部分组成，在,T0.1s,区段内，,(T),曲线为直线上升段；在,0.1sTT,g,区段内，,(T),曲线为一水平线，即取,的最大值,a,max,；在,T,g,T5T,g,区段内，,(T),按下降的曲线规律变化：,衰减指数 取,0.9,；在,5T,g,6.0s,时，就会超出设计反应谱的适用范围，此时所采用的地震影响系数需专门研究。,式中，,(T) ,地震影响系数，意义为地震作用与体系重力之比；,max,地震影响系数最大值；,衰减指数；,1,直线下降段的下降斜率调整系数；,2,阻尼调整系数；,T,结构自振周期,(s),；,T,g,特征周期。,1),特征周期,T,g,特征周期,T,g,由场地类别和所在地的设计地震分组按表,4-5,查用,(,表中括号内数值分别用于设计基本地震加速度为,0.15g,和,0.30g,的地区,),。由表可见，随场地类别增大，场地条件变差，特征周期是逐渐增大的，反映了土质软、覆盖层厚、峰值右移的特征。另外表中第三组特征周期最长，说明长周期结构反应大，峰值也是向右移动的。表,4-5,特征周期,T,g,(s),地 震 作 用,设计地震分组,场 地 类 别,第一组,0.25,0.35,0.45,0.65,第二组,0.30,0.40,0.55,0.75,第三组,0.35,0.45,0.65,0.90,2),地震影响系数最大值,max,水平地震影响系数的最大值,max,为：,max,=k,max,(4-38),表,4-6,中给出了基本烈度对应的,k,值，只要确定,max,，就能确定,max,。统计结果表明，动力系数最大值,max,受场地条件、地震烈度、震中距的影响不大，,建筑抗震设计规范,(GB 500112001),取按多遇地震烈度计算是的,max,=2.25,，相应的地震系数,k,取基本烈度时表,4-5,的,0.35,，同时还规定在计算地震作用的标准值时，,max,的取值应符合下列规定：对于阻尼比为,0.05,的建筑结构,max,应按表,4-6,采用，当阻尼比不等于,0.05,时，则应给表,4-6,中的各数值乘以阻尼调整系数,2,：,(4-39),当,2,0.55,时，取,2,=0.55,。,表,4-6,水平地震影响系数最大值,max,地 震 作 用,地震影响,烈 度,6,度,7,度,8,度,9,度,多遇地震,0.04,0.08(0.12),0.16(0.24),0.32,罕遇地震,-,0.50(0.72),0.90(1.20),1.40,此外，当结构的自振周期,T=0,时，结构为刚体，其质点加速度与地面加速度相等，,max,=1,，此时：,(4-40),3),衰减指数,曲线下降段衰减指数按下式确定：,(4-41),一般情况下，上式中的阻尼比取为,=0.05,，此时,=0.9,。由于在抗震结构中阻尼器应用日趋广泛，会出现阻尼比大于,0.05,的情况下，另外钢结构的阻尼比一般取,0.02,，小于,0.05,。式,(4-41),就给出了不同阻尼比的反应谱调整方法，以适应不同结构材料和结构类型。,考虑阻尼比不同，对直线下降段斜率应进行修正，调整系数,1,按下式确定：,1,=0.02+(0.05-,)/8,(4-42),当,1,0,时，取,1,=0,。,【,例,4.1】,某钢筋混凝土排架结构,(,图,4.19),，集中于柱顶标高处的结构重量,G=680kN,，柱子刚度,EI=188.310,3,kNm,2,，横梁刚度,EI=,，柱高,h=6m,，,7,度设防，第一组，,类场地土，阻尼比,=0.05,。计算该结构所受地震作用。,地 震 作 用,解：,(1),计算地震影响系数,。,把结构简化为单质点体系，体系抗侧刚度,k,为各柱抗侧刚度之和：,体系自振周期：,7,度设防，,max,=0.08,，第一组，,类场地，,T,g,=0.45s,(2),计算作用在质点上的水平地震作用,F,。,F=,G,=0.0522680=35.5kN,该结构柱顶处水平地震作用,F=35.5kN,。,地 震 作 用,图,4.19,例题,4.1,图,一、计算简图,对于图,4.20(a),所示的多层结构，通常是按集中质量法将每一层楼面或屋面的质量及,i,-,i,到,(,i,+1)-(,i,+1),之间上下各一半的楼层结构质量集中到楼面或楼盖标高处，作为一个质点，设它们的质量为,m,i,(,i,=1,，,2,，,，,n,),，并假定这些质点由无重的弹性直杆支承于地面，这样就可以把整个结构简化为一个多质点弹性体系。一般地说，对于具有,n,层的结构，应简化成,n,个质点的弹性体系，如图,4.20(b),所示。,对于图,4.20(c),所示的单层多跨不等高排架结构，由于大部分质量集中于屋盖，可把厂房质量分别集中到高跨柱顶和低跨屋盖与柱的联结处，简化成两个质点的体系，如图,4.20(d),所示；如果牛腿处支承有大型吊车，确定地震作用时，应把它当成单独质点处理。,多质点体系的地震作用,(a),框架结构,(b),简化成多个质点体系,(c),单层多跨不等高排架结构,(d),简化成两个质点体系,图,4.20,多质点体系计算简图,二、运动方程,图,4.21,表示一多质点弹性体系在水平地震作用下发生振动产生相对于地面运动的情况。图中,x0(t),表示地震水平位移，,xi(t),表示第,i,质点相对于地面的位移。为了建立运动方程，取第,i,质点为隔离体，作用在质点,i,的力有惯性力：,Ii =,。,多质点体系的地震作用,图,4.21,多自由度体系水平地震作用,阻尼力：,(4-43),弹性恢复力：,(4-44),式中，,第,r,质点产生单位速度，其余点速度为零，在,i,质点产生的阻尼力；,第,r,质点产生单位位移，其余质点不动，在,i,质点上产生的弹性反力。,多质点体系的地震作用,根据达朗贝尔原理，得到第,i,质点动力平衡方程为：,(4-45),将上式整理，并推广到,n,个质点，得多自由度弹性体系在地震作用下的运动方程：,(i=1,，,2,，,，,n),(4-46),(4-47),或简写为：,(4-48),式,(4-48),是以质点,xi(t),位移为坐标，展开后得,n,个运动微分方程，在每一个方程中均包含所有未知的质点位移，这,n,个方程是联立的，即耦合的，一般常用振型分解法求解。而用振型分解法求解时需要利用多自由度弹性体系的振型，它们是由分析体系的自由振动得来的。为此需先讨论多自由度体系的自由振动问题。,三、自由振动,由式,(4-48),可知，无外界激励的多质点无阻尼体系的自由振动方程为：,(4-49),上式为二阶线性微分方程组，则解为：,(4-50),式中，,频率；,初相角。,为常数，是每个质点的位移幅值。,将 关于时间,t,微分两次，得：,(4-51),则式,(4-49),为：,(4-52),，必：,(4-53),式,(4-53),亦称为表征体系自由振动特征的特征方程。,多质点体系的地震作用,由于体系自由振动时， ，所以系数矩阵的行列式应等于零，即,(4-54),特征值方程展开后是关于,2,的,n,次代数方程，应有,2,的,n,个解。根据刚度矩阵 的对称性和正定性，可知,2,的,n,个解全为正实数。即 且 ，一般称,1,为体系的第一阶自振圆频率或基本自振圆频率， 为体系的第,i,阶自振圆频率。,将任意,i,阶自振圆频率,i,代入特征方程式,(4-53),，可确定与之相应的 阶自由振动振型 ：,(4-55),令 中的任意一元素为确定值,(,可令第一个元素等于,1),，则可由式,(4-55),解得 的其他元素。,下面来证明多质点体系的任意两个不同振型关于质量矩阵和刚度矩阵加权正交。,使式,(4-55),变形得：,(4-56),同理对体系的第,j,阶自由振动仍然成立：,(4-57),多质点体系的地震作用,对式,(4-56),和,(4-57),的两边分别左乘 和 ，得：,(4-58),(4-59),由于 具有对称性，将式,(4-58),两边转置，并与式,(4-59),两边相减，得,当 时， ，得到结论：,(4-60),(4-61),利用这一结论，同样可以得到多质点体系的任意两个不同振型关于阻尼矩阵加权正交。即：,(4-62),多质点体系的地震作用,四、方程解耦,由振型的正交性可知 相互独立。根据线性代数理论可知,n,维向量总可表达为,n,个独立向量的代数和。,(4-63),这里把运动方程中描述质点位移的几何坐标 ，转换为新的广义坐标 ，这样做的目的是使互相耦联的运动方程变为独立方程。,将式,(4-63),代入式,(4-48),，得：,(4-64),将两边左乘 ，同时考虑振型正交性，得：,(4-65),由式,(4-59),，令 ，得：,(4-66),多质点体系的地震作用,令：,(4-67),(4-68),式中，,体系对应第,j,阶振型的阻尼比；,振型参与系数。,化简式,(4-65),，得：,(,j,=1,，,2,，,3,，,，,n,),(4-69),可以看出，式,(4-69),的每一个方程中仅含有一个未知数,qj,，至此，原来联立的微分方程组分解为,n,个独立的微分方程式。,多质点体系的地震作用,五、方程求解,方程解耦后，得到,n,个独立的微分方程，这些方程与单自由度体系在地震作用下运动微分方程,(4-17),形式基本一样，所不同的仅在于方程的 换为 ， 换为 ，等号右边乘了一个比例系数 ，比照式,(4-17),的解式,(4-25),，可写出：,(4-70),或者：,(4-71),式中：,(4-72),相当于阻尼比为 ，自振圆频率为 的单质点弹性体系在地震作用下相对于地面的位移反应。这个单质点体系称作,j,振型的相应振子。,各振型的广义坐标 求得后，进行坐标变换，把式,(4-71),代入式,(4-48),，即可求出原坐标表示的第,j,质点的位移。,(4-73),多质点体系的地震作用,式中，,时间,t,的函数；,质点位置的函数；,体系按振型 振动的位移反应，称为,j,振型地震反应。,式,(4-73),表明多质点弹性体系任一质点的相对位移反应等于,n,个相应单自由度体系相对位移反应与相应振型的线性组合。该式表示一个有限项和，只要知道,n,个振型和振型反应,j(t),，按式求得的结果是精确的，当振型数目取得不够时，结果则是近似的。这种分析多自由度地震反应的方法称为振型分解法。,多质点体系的地震作用,六、 多质点体系的地震作用计算方法,1.,振型分解反应谱法,振型分解反应谱法是求解多自由度弹性体系下地震反应的基本方法。这一方法的概念是：假定建筑结构是纯弹性的多自由度体系，利用振型分解和振型正交性原理，将求解,n,个自由度体系的地震反应分解为求解,n,个独立的等效单自由度体系的最大地震反应，从而求得对应于每一个振型的作用效应,(,弯矩、剪力、轴向力和变形,),，再按一定的法则将每个振型的作用效应组合成总的地震作用效应进行截面抗震验算。,多自由度弹性体系在地震作用下，由地面运动和质点相对运动引起的第,i,质点上的地震作用就是第,i,质点所受的惯性力。根据达朗贝尔原理，第,i,质点上的地震作用为：,F,i,(t)=-m,i, ,(4-74),式中：,m,i,质点,i,的质量；,质点,i,的相对加速度；,地面运动加速度。,由式,(4-73),得：,(4-75),多质点体系的地震作用,式中， 为,i,质点处的,j,振型坐标。,因：,(4-76),故：,则 可写成：,(4-77),将式,(4-75),和,(4-77),代入式,(4-74),得：,F,i,(t)= m,i,(4-78),式中， 为第,j,振型相应振子的绝对加速度。,根据,(4-78),可以做出,F,i,(t),随时间变化的曲线，即时程曲线。曲线上,F,i,(t),的最大值就是设计用的最大地震作用。但计算繁琐，一般采用先求出对应于每一振型的最大地震作用,(,同一振型中各质点地震作用将同时达到最大值,),及其相应的地震作用效应，然后将这些效应进行组合，以求得结构的最大地震作用效应。,多质点体系的地震作用,2.,振型的最大地震作用,由式(4-78)可知，作用在j振型第i质点上的水平地震作用绝对最大值为：,(4-79),取：,(4-80),令：,(4-81),式(4-78)可写成：,(i=1，2，m；j=1，2，n),(4-82),式中，,相应于j振型第i质点的水平地震作用最大值；,相应于j振型自振周期 的水平地震影响系数，参照图4.18反应谱确定；,j振型第i质点的水平相对位移，即振型位移；,j振型的振型参与系数，可按式(4-68)计算；,集中于质点i的重力荷载代表值。,式(4-82)就是j振型i质点上的地震作用的理论公式,也是,建筑抗震设计规范,(GB 500112001),给出的水平地震作用计算公式。,多质点体系的地震作用,3.,振型组合,求出j振型第i质点上的地震作用Fji后，就可按一般力学方法计算结构的地震作用效应 (弯矩、剪力、轴向力和变形等)。根据振型分解法，结构在任一时刻所受的地震作用为该时刻各振型地震作用之和，并且所求得的相应于各振型的地震作用Fji均为最大值。这样，按Fji求得的地震作用效应Sj也是最大值。但由于各振型反应的最大地震作用不会在同一时刻发生，则将各振型最大反应直接相加来估算结构地震反应量的最大值一般偏大，这就产生了振型组合问题。建筑抗震设计规范(GB 500112001)假定地震时地面运动为平稳随机过程，各振型反应之间相互独立，给出了“平方之和再开方”的组合公式，即按下式确定水平地震作用效应：,S=,(4-83),式中，S水平地震作用标准值的效应(内力或变形)；,由j振型水平地震作用标准值产生的作用效应。,多质点体系的地震作用,3.,振型组合,求出j振型第i质点上的地震作用Fji后，就可按一般力学方法计算结构的地震作用效应 (弯矩、剪力、轴向力和变形等)。根据振型分解法，结构在任一时刻所受的地震作用为该时刻各振型地震作用之和，并且所求得的相应于各振型的地震作用Fji均为最大值。这样，按Fji求得的地震作用效应Sj也是最大值。但由于各振型反应的最大地震作用不会在同一时刻发生，则将各振型最大反应直接相加来估算结构地震反应量的最大值一般偏大，这就产生了振型组合问题。建筑抗震设计规范(GB 500112001)假定地震时地面运动为平稳随机过程，各振型反应之间相互独立，给出了“平方之和再开方”的组合公式，即按下式确定水平地震作用效应：,(4-83),式中，S水平地震作用标准值的效应(内力或变形)；,由j振型水平地震作用标准值产生的作用效应。,注意，将各振型的地震作用效应以平方和开方法求得的结构地震作用效应和将各振型的地震作用先以平方和开方法进行组合，随后计算其作用效应，两者的结果是不同的。因为在高振型中地震作用有正有负，经平方后则全为正，造成计算夸大结构所受的地震作用效应。,多质点体系的地震作用,一般各振型在地震总反应中的贡献，总是以频率较低的前几个振型为大，高振型的影响将随着频率的增加而迅速减小，故频率的最低几个振型往往控制着结构的最大地震反应。因此，在实际进行地震反应分析计算时，无论有多少自由度，只要考虑前几个振型，便能得到良好的近似值，从而减小了计算工作量。建筑抗震设计规范(GB 500112001)规定，利用式(4-83)进行组合时，可只取前23个振型即可。考虑到周期较长的结构的各个振频较接近，故建筑抗震设计规范(GB 500112001)规定，当基本自振周期大于1.5s或房屋高宽比大于5时，可适当增加参与组合的振型个数。,【例4.2】 如图4.22所示的某三层剪切型结构，各层质量分别为m,1,=500t，m,2,=500t，m,3,=400t。设防烈度为8度，第一组，类场地，阻尼比,=0.05。用振型分解反应谱法计算该剪切型结构层间地震力，且已求得该结构的主振型及自振周期如下：,T1=0.613s T2=0.223s T3=0.127s,多质点体系的地震作用,图,4.22,三层剪切型结构,解：(1) 各振型的地震影响系数。,由表查得：类场地，第一组，T,g,=0.35s；,由表查得：8度多遇地震,max,=0.16。,第一振型T,1,=0.613s，T,g, T,1, 5T,g,，,第二振型T,2,=0.223s，0.1s T,2, T,g,2,=,max,=