工程抗震原理试题重点

1、工程结构抗震理论与应用工程结构抗震理论与应用课程论文学号:姓名:1. 工程结构地震反应的影响因素有哪些，各自又是如何影响的？（不少于 600字）地震反应是指建筑结构由地震引起的振动反应称为地震反应，包括地震在建筑结构中引起的内力、变形、位移、速度和加速度等。其影响因素包括结构自身 的动力特性，即自振周期、振型、阻尼和结构所在的场地，以及地面运动的强弱。（1）从结构自身来看： 自振周期。由于场地土的滤波和放大作用，会在既定的场地上形成某种频率占主导地位的波形，而建筑结构的周期要避开这种波的卓越周期，以免发生共振。当结构的自振周期与场地的特征周期相同或接近时，结构的地震反应最大。 振型和阻尼。振型

2、阶数越高，振型反应越小。结构的总地震反应以低阶振型反应为主，而高阶振型反应对结构总地震反应的贡献较小。结构阻尼比越小， 结构地震反应越大。 场地。建筑物的选址对结构地震反应有重要的影响，应选择有利场地，避开不利场地，杜绝危险场地。断层带、突兀地等场地对结构的危害较平坦场地 为重。（2）从地面运动来看： 地震动的幅值。幅值是描述地震地面运动强烈程度的最直观参数。通常 情况，幅值越大，地面运动越强烈，相应的震级也越大，从而带来的建筑结构的 地震反应也越大。 频谱。地震发生时，其加速度波形含有多种频谱成分， 并在不同的场地 土和地基上表现出不同的特性。 一般的，软土地基上，加速度波形长周期分量比 较

3、显著，对此类地基上自振周期较长的结构有较重的影响： 反之，在硬土地基上， 短周期波形比较显著，对上部自振周期较短的结构物有更不利的影响。 持时。地震加速度波形的持续时间对结构的地震反应有重要的影响， 并且, 这种影响主要表现子结构开裂后。 在结构物已开裂时，持续时间越长，引起的结 构反应也越大，造成结构损害的可能性就越大。2. 工程结构地震反应分析方法有哪些，线性分析与非线性分析方法的区别？（不少于 800字）（1） 地震反应分析可分为确定性地震响应分析和随机性地震响应分析；也 可以分为线性分析和非线性分析。（2）确定性地震响应分析基本方法包括： 线性分析：集中质量法、有限单元法、广义坐标法、

4、时域分析法、频域 分析法、振型叠加法和底部剪力法。集中质量法：离散化方法的一种。在连续结构体系的动力反应分析中， 惯性 力由结构运动产生，反过来结构的运动又受惯性力大小的影响。 若要确定连续结 构的全部惯性力，则必须确定每一个点的位移、加速度。此时结构各点的位置及时间都必须看作独立变量，故此必须用微分方程描述。有限单元法：从物理上看，有限元就是把连续结构化成离散化单元，而单元按节点平衡条件建立运动方为了限制自由度，可取假定的 这些曲线则构成结构的位移大小有限，故称为有限元。各单元在其相邻边界点上相连，只在有限个点上有联 系的离散模型。通常以这些广义节点位移为未知量， 程。一般采用位移法，也可采

5、用力法。广义坐标法：假定结构质量各处都是均匀的， 结构变形形状用一系列规定的位移曲线的和来表达， 坐标，也称广义坐标。时域分析法：对于一个多自由度体系，采用有线元方法离散化可以得到体系 的动力平衡方程。对上述微分方程组初值问题，采用时域积分法求解。频域分析法：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。频域分析方法的基本思路是利用傅氏分析原理， 首先计算结构体系 的频域传递函数，由此求得问题的频域解，最后叠加获得问题的时域解。振型叠加法：振型叠加法则通过对结构振型特征的离散化来实现体系动力反应的离散化。利用多自由度弹性体系振型正交性求解体系振动反应的时域解。利用系统正交

6、特性可将维运动方程组解耦， 转换为个单自由度系统的运动，分别求 解各单自由度体系反应后再进行叠加即得原结构反应。该法广泛应用于结构地震 反应分析。底部剪力法：将结构第一振型的最大响应视为结构的总地震最大响应，按静力方法求解。适用范围很有限，属振型分解法的特例。 非线性分析：时程分析法、简化方法、等效线性化方法。（3）随机性地震响应分析均可采用统计近似方法，其余基本方法包括： 线性分析：振型分解法，将结构离散为经典振型，按单自由度体系计算 各振型响应的谱密度函数和相关函数，依振型迭加得出结构总响应的概率特征。 非线性分析：摄动法（小参数法）、等效线性化法、Markov矢量法和 Fokker-Pl

7、anek 方法、Wiener-Hermite 展开式法。（3）线性分析和非线性分析的区别线性分析在结构方面就是指应力应变曲线刚开始的弹性部分，也就是没有达到应力屈服点的结构分析。非线性分析包括状态非线性，几何非线性，以及材料 非线性。这种方法能比较确切地、具体地和细致地给出结构弹塑性地震反应；能 给出结构中各构件和杆件出现塑性铰的时刻和顺序，从而可判明结构的屈服机 制，对于非等强结构能找出结构的薄弱环节， 并能计算出柔弱楼层的塑性变形集 中效应，更接近实际情况。3. 如何减轻或抑制工程结构的地震反应，减震措施与控制措施的概念区别如何？（不少于 800字）为了减轻或抑制工程结构的地震反应，应该采

8、取抗震设计和结构振动控制。传统的抗震设计是依靠结构的强度、 刚度和延性来防御地震，通过增强自身 的抗震能力如加大构件尺寸，提高材料强度等来抵御地震，通过结构损伤来耗散 地震能量。结构振动控制包括隔震、减震和振动控制等方法。通过附加装置和措施削弱 结构的地震反应。削减地面运隔震是通过某种装置，将上部结构与地震地面运动分离或切断， 动向上部结构的传输，主要有基底隔震和悬挂隔震。减震包括结构消能减震和阻尼减震，把结构物的某些构件（如支撑、剪力墙、 连接件等）设计成消能杆件，或在结构的某个部位（层间、节点、联结缝等）装设 消能装置。在风或小震时，这些消能构件或消能装置具有足够的初始刚度， 处于 弹性状

9、态，结构物仍具有足够的侧向刚度以满足使用要求。 当出现中、强地震时， 随着结构侧向变形的增大，消能构件或消能装置率先进人非弹性状态， 产生较大 阻尼，大量消耗输入结构的地震能量， 使主体结构避免出现明显非弹性状态， 并 且迅速衰减结构的地震反应，从而保护主体结构及构件在强震中的安全。振动控制包括被动控制、主动控制、半主动控制和混合控制，结构被动控制 是指在建筑物特定部位附加子结构，改变结构的动力特性，达到降低结构动力反 应的目的。如调频质量阻尼器（TMD,调频液体阻尼器（TLD等。隔震、减震 技术也属此范畴。结构主动控制是指利用外部能源，在结构振动过程中瞬时改变 结构的动力特性，并施加控制力以

10、衰减结构地震反应，如主动调频质量阻尼器（AMD、锚索控制等。半主动控制是一种主动改变装置的参数， 仅需少量外部能 源的控制，它符合工程应用的实际情况且可实现较有效的控制； 混合控制则是主 动控制和被动控制的有机结合，可充分发挥主动控制和被动控制各自的优点。减震措施与控制措施的最终目的都是减小结构的地震反应，达到减震的目 的。减震措施具有一定的被动性，其内容宽泛，包括传统抗震、基础隔振和消能 减震等。可以利用冗余结构减震，或在结构的适当部位设置吸能器，也可在主体 非承重构件中设置耗能材料，或采用合理的结构布置方式或基础隔振技术等。结 构振动控制具有主动性的特征，其是当前结构工程的高科技领域之一，

11、 指在结构 中引入控制理论和控制系统，使结构和控制系统共同抵御外界动荷载的作用，达 到控制结构形态，减轻结构动力响应的目的。4. 请依据自己的专业研究方向，撰写约于4000字综述性论文，以工程结构的抗震理论及其应用为主题，题目自拟。浅谈建筑隔震技术（天津大学，天津市300072）摘要：本文简要介绍了隔震技术的发展与研究现状，阐述了隔震机理与隔震体系的基本特性，指出隔震技术的一些问题，最后对隔震技术的发展做了展望。关键词：隔震技术；隔震体系；发展现状；基础隔震；橡胶支座中图分类号:TU352.1文献标识码：AP reliminary analysis of seismic isolation o

12、f buildings(Tianjin University, Tianjin 300072, China)Abstract: :This paper reviews the deve lopment and research of seismic isolati on system for civil engin eeri ng structures .The con trol mecha nism of the isolati on system is in vestigated, and some major p roblems of seismic isolati on are poi

13、n ted out. Fin ally, exp ectati on the deve lopment of the buildi ngs seismic isolati on tech no logy is made in the paper.Key words: seismic isolati on; isolati on system; curre nt deve lopment; base-isolati on; rubber beari ng1引言地震是一种危害性极大的自然灾害，往往会造成极大的人员伤亡和财产损失，其原因主要是由于地震会引起地面运动，使地面上的建筑物受到动力作用而产生

14、振动，在结构中产生内力、变形和位移，而发生破坏、倒塌。为了尽可能的减轻地震灾害，工程结构必须采取合 理的抗震技术。隔震技术是20世纪最具代表的革新性结构抗震技术之一，其构造简单，性能稳定，造价相对低廉，早已成为国内外结构工程和防灾工程领域的热点研究方向，也是应用于高烈度区建筑进行结构减震控制最为常用的减震技术之一。在1994年的美国加州北岭地震和1995年日本兵库县南部地震中有几栋橡胶支座隔震房屋经历了强烈地震的考验，促 进了隔震技术的发展和推广。自这两次地震以后，应用橡胶支座的基础隔震技术已获得工程 界的认同，相应的产品标准业已付诸实施。2 隔震技术的发展与研究1881年，日本学者河合浩藏首

15、先提出了基础隔震的概念，他的做法是先在地基上设置几层圆木，圆木上做混凝土基础，再在混凝土基础上盖房，以削弱地震传递的能量，这是一种1921年美国滚轴隔震的思想。1909年，美国的J.A.卡兰特伦茨提出在基础与上部建筑物之间铺一层滑石 或云母，这样地震时建筑物会发生滑动，实现隔震，这是一种滑移隔震的思想。工程师F.L.莱特设计了最早的隔震建筑日本东京帝国饭店，他采用密集的短桩穿过表层硬 土，插到软泥土层底部，利用软泥土层作为隔震层，这在当时引起了很大的关注。1923年关东大地震以后，该建筑保持完好，而周围其他建筑破坏严重。1924年，日本的鬼头健三郎提出了在建筑物的柱脚与基础之间插入轴承的隔震方

16、案。1927年，日本的中村太郎认识到了吸收地震能量的重要性，首次提出加装阻尼器以吸收能量。虽然限于当时的理论与技术水平， 这些方案大都没有实施，但是隔震的概念和思想已经比较清晰。20世纪60年代以来，美国、日本、新西兰等多地震国家对隔震技术开展了系统的理论和 实验研究，研发了多种有效的隔震体系，如叠层橡胶垫隔震体系、砂垫层滑移摩擦体系、石墨砂浆滑移体系、悬挂隔震结构体系、滚动隔震体系等，并广泛应用于30多个国家数千幢房屋、桥梁等结构物中。20世纪70年代起，新西兰学者 WHRobinson等开发出了铅芯橡胶 支座，这是一种可靠、经济实用的隔震元件，大大推动了隔震技术的应用。此后，新西兰、 日本

17、、美国陆续建成了多座隔震建筑，隔震技术越来越成熟。现代隔震技术包括橡胶隔震技术、摩擦隔震技术、悬挂隔震技术和组合隔震技术，其中研究得最成熟且在工程中应用最广泛的是叠层橡胶隔震技术。1984年新西兰建造了世界上第 1座以铅芯叠层橡胶垫作为隔震元件的4层建筑物。1985年美国建成第1座4层的叠层橡胶垫隔震大楼加州-圣丁司法事务中心，这是美国的第一座隔震建筑。我国1993年在汕头市由周福霖教授主持完成了第1栋橡胶隔震支座房屋（8层框架），并于1994年9月16日台湾海峡地震中经受考验 ，被誉为世界隔震史上的 第3个里程碑2。截至目前，世界上大约已建成了 5 000多幢隔震建筑，目前隔震技术的应用 程

18、度在日本等国已成为建筑的主导，我国设计和建成的隔震房屋也有3000多幢，仅次于日本。隔震技术最高已应用于 50层以上的超高层建筑中。我国目前最高的隔震建筑为2014年106.6 米。在山东潍坊建成某建筑物，该建筑从隔震层底面到屋顶高度3 隔震原理隔震是利用隔震支座和阻尼器，将上部结构与地震地面运动分离或切断，通过增加结构的柔性与提供附加阻尼来减小输入到结构中的地震作用。从能量守恒的角度，可以认为隔震建筑是利用滤波的原理，把不规则、不均匀的高频地震振动能转化为建筑主体的低频平动能， 从而减少建筑损坏3。影响地震反应的主要因素包括结构的自振周期和阻尼，中低层非隔震建筑物的刚度大、 周期短，其基本周

19、期恰好对应于地震输入能量最大频段，也就是卓越周期，使得加速度反应要比地面运动大得多。 通过延长结构的周期并给予较大的阻尼，就可以明显降低结构的加速度反应。结构的较大位移可由设置在上部结构底部和基础顶部之间的隔震层来承担，上部结构在地震过程中就会发生接近刚体平移的运动。当地面发生地震时，隔震支座在地震动力的作用下会发生水平位移且反复位移的方向和地震反复产生的动力方向相反，不仅能消耗地震能量，而且能使建筑物上部结构从剧烈的、由下到上不断放大的晃动变为只作长周期的、缓慢的、整体水平平动 ，因而上部结构在强震下基本上处于弹性状态，这样既能保证 结构本身，又能保证结构物内部的装修和精密仪不遭损坏，从而来

20、保证结构在地震作用下的1。上部刚体 （I:部銷ft）图1隔震结构工作模型图W W隔綻澹波层安全性和适用性。隔震结构工作原理示意图如图4 隔震体系4.1隔震体系的基本概念及其特性隔震装置应结构隔震体系是指在结构物底部或某层间设置隔震装置而形成的结构体系。当具备以下特性(1) 能使能使结构在基础面上发生柔性滑动，使结构体系的自振周期大幅增加，远离场地的卓越周期，把地面运动隔开，有效降低结构的加速度反应。(2) 具有足够的初始刚度，在风荷载或轻微地震作用下，体系具有足够的弹性刚度，以 满足正常使用要求，当强震发生时，装置柔性滑动，体系进入消能状态。(3) 具有足够的阻尼，可进一步耗散输入到上部结构的

21、地震能量，同时可使隔震层的位 移明显减少。(4) 复位特性，隔震装置具有水平弹性恢复力，使隔震结构体系在地震中具有瞬时自动“复位”功能。地震后，上部结构回复至初始状态，满足正常使用要求。(5) 具有足够的竖向承载力，以承担上部结构自重及使用荷载。4.2隔震体系的构造各国学者对隔震消能装置进行了大量研究，在实际工程中得到成功应用。主要用与隔震体系的隔震消能装置有 ：(1) 隔震装置：设置在结构物底部并支承在基础面上，承受结构物自重并使结构物能在 其上柔性滑动。可以增大结构的自震周期并隔离地面震动。隔震装置有橡胶垫，滚珠(或滚 轴)，个别也采用悬挂隔震和套筒桩等方法。(2) 消能装置：与隔震装置平

22、行设置于结构底部与基础面之间。当结构物水平位移较小时，保持足够的初始弹性刚度。结构水平位移较大时，它进入非弹性状态(或产生阻尼)，消耗地震能量。消能装置主要有软钢消能杆件，铅挤压消能器，油阻尼器，气阻尼器等。(3) 隔震兼消能装置：同时兼有隔震作用和消能作用，承受结构自重，并使结构能在其上柔性滑动，起隔震作用。又能在小位移时，具有足够的初始刚度。位移较大时，则进入非弹性状态，或产生阻尼，起消能作用。常用的隔震兼消能装置有：灌铅橡胶垫，摩擦滑板，橡胶垫加摩擦滑板，粉粒垫层，涂层滑层，气垫层，液垫层等。4.3隔震体系的优势(1) 显著减弱地震反应。从振动台地震模拟试验结果可知，隔震结构的加速度反应

23、只相当于传统基础固结结构加速度反应的1 /31 /10,可有效地保护结构物或内部设备，减震效果相比于传统抗震结构优势十分明显。(2) 地面剧烈震动时，上部结构仍能处于正常的弹性工作状态。这既适用于一般民用建筑结构，确保人们在强地震中的安全； 又适用于某些重要结构物以及有重要设备的建筑物等。(3) 简单明了。只需考虑隔震装置，结构本身设计与传统抗震设计相比大大简化。(4) 修复方便。地震以后，只需对隔震装置进行必要的检修和更换，一般不需要考虑结 构本身的修复，为震后工作带来方便。4.4隔震层的布置当采用隔震技术时，应根据具体情况合理布置隔震层，隔震层一般在4个不同的位置布置。(1) 基础隔震，隔

24、震层设置在基础与上部结构之间，这是最经典的隔震层布置，用于新 建建筑物或大型公共建筑的维修与加固。(2) 首层隔震，隔震层设置在一层顶。当结构首层为车库或设备层时，可采用首层隔震，不必在结构四周挖隔震沟。(3) 层间隔震，隔震层设置在一楼以上或上部结构的某一层中。适用于重建与加固建筑 物。(4) 顶层隔震隔震层设置在建筑的顶部，在既有建筑物抗震加固时在顶部增加1层或2层，可在增加房屋使用面积的同时提高结构的安全性。4.5隔震体系的应用范围由于隔震体系相对于传统抗震结构具有各种优势。所以，它特别适用于下述情况：(1) 地震区12层以下的中低层建筑，能确保这些建筑在地震中的安全。(2) 地震区的重

25、要建筑或不允许在地震中出现裂缝或损坏的建筑，如历史文物建筑、原 子能反应堆、导弹发射场等。(3) 地震中要确保安全的重要建筑结构或设施：电厂、水厂、电讯枢纽、广播电台、变电站、政府办公楼、警察局、档案室、监狱、消防站、医院等。(4) 内部有精密的或严格要求防震的设备仪器的建筑物：电子计算机房、半导体车间、电子显微镜工厂、化学试验室、微生物试验室、毒品间、危险材料贮藏室。(5) 用于重要设备或特殊构筑物的抗震：油灌、水池、贮气罐、变压器、管道、桥梁等。(6) 局部振动环境的改善：临近地铁的民房(英国等欧洲国家早就采用隔震体系来隔离地铁的振动影响)，或在建筑物内部某层或某部位装有严格防震要求的仪器

26、设备)局部隔震。(7) 旧有建筑物、构筑物或设备的抗震能力的改良、改建等。5隔震技术的制约目前建筑隔震技术还存在一些问题，有待进一步的研究和解决，如：(1) 无芯橡胶支座阻尼较小、耗能不足，在工作过程中，上部结构和隔震层的相对变形较大，因此，它必须与其他阻尼器一起使用才能具有良好的减震效果，这样就增加了隔震层施工安装的复杂程度；，但是铅芯变形后(2) 铅芯橡胶支座在中小地震作用下可以起到较好的隔震、减震作用 无法恢复原状，因而大震下自恢复能力差；(3) 叠层橡胶支座竖向极限拉应力远小于竖向极限压应力，隔震支座不宜出现拉应力。特别是橡胶和钢板的结合面是一个薄弱环节，在罕遇地震下，竖向地震力往往很

27、大，使得基础常有提离现象；(4) 橡胶支座抗老化、抗腐蚀等问题一直没有得到较好的解决，目前在工程中已有一些支座(如桥梁支座)因橡胶老化或变形过大不能复位而产生了不同程度的问题；(5) 对于高层和超高层效果不佳，由于高层及超高层建筑的水平地震力产生的倾覆力矩较大，在强地震动作用下，橡胶隔震支座容易出现受拉现象。在强地震动作用下， 大高宽比结构将产生明显的颠簸和晃动，从而会使得橡胶隔震支座的受拉现象更加明显。当橡胶隔震支座受轴向拉伸时，虽然从外观上看并无太大损伤，但其内部容易形成负压状态而产生许多空孔。研究表明，橡胶隔震支座经较大受拉变形后再受压，其竖向受压刚度降低为初期刚度的1/2左右8。6 结语但是因为地震设计 按传统抗震方法设计传统的抗震方