第六章结构抗震分析

1、1第六章第六章 （一）结构抗震分析（一）结构抗震分析结构抗震分析方法发展结构抗震分析方法发展结构抗震分析方法的理论基础：结构抗震分析方法的理论基础：1.刚体体系地震反应刚体体系地震反应2.单自由度弹性体系自由振动单自由度弹性体系自由振动3.单自由度弹性体系强迫振动单自由度弹性体系强迫振动2结构抗震理论的发展过程结构抗震理论的发展过程l静力理论阶段静力理论阶段 l反应谱理论阶段反应谱理论阶段 l动力理论阶段动力理论阶段 l基于性态的抗震设计理论基于性态的抗震设计理论 -Performance-based seismic design3静力理论阶段静力理论阶段 l1920，日本大森房吉提出日本大森

2、房吉提出 所谓静力理论是指估计地震力时，不考虑地震的动力所谓静力理论是指估计地震力时，不考虑地震的动力特性和结构的动力性质（变形和阻尼），假定结构为刚性，特性和结构的动力性质（变形和阻尼），假定结构为刚性，其大小相当于结构的重量乘以一个比例常数（即与结构特其大小相当于结构的重量乘以一个比例常数（即与结构特性无关的地震系数）的理论，结构上任何一点的加速度都性无关的地震系数）的理论，结构上任何一点的加速度都等于地震动加速度。等于地震动加速度。)(txg m)(txmg GkxgGxmFggmaxmax 将将F作为静荷载，按静力计算作为静荷载，按静力计算方法计算结构的地震效应方法计算结构的地震效应

3、尽管静力法忽略了地震作用与结构动尽管静力法忽略了地震作用与结构动力特性直接相关、结构为非刚性等关键特性，力特性直接相关、结构为非刚性等关键特性，造成求出的地震作用失真，但静力法的产生造成求出的地震作用失真，但静力法的产生在抗震领域却具有划时代意义，它使结构抗在抗震领域却具有划时代意义，它使结构抗震理论从无到有。震理论从无到有。4 静力理论静力理论 （1）输入的地震动以历史震害估计的地震动）输入的地震动以历史震害估计的地震动最大加速度为依据，采用假定沿高度分布的质量最大加速度为依据，采用假定沿高度分布的质量和加速度，和加速度， （2）不需要建立结构动力模型进行动力反应分）不需要建立结构动力模型进

4、行动力反应分析；析； （3）其设计原则也只是采用静力的允许应力；）其设计原则也只是采用静力的允许应力； 因此该理论所用的方法是一种经过极大简因此该理论所用的方法是一种经过极大简化的设计方法。化的设计方法。5反应谱理论阶段反应谱理论阶段 1940年美国年美国Biot首先明确提出从实测记录中计算反首先明确提出从实测记录中计算反应谱的概念，到应谱的概念，到50年代初由美国年代初由美国(Housner)加以实加以实现。反应谱理论的建立是建筑在现。反应谱理论的建立是建筑在强震观测强震观测和和计算机计算机应用发展应用发展的基础上的。的基础上的。 地震作用地震作用“拟静力法拟静力法”？目前，世界上普遍采用的

5、方法！目前，世界上普遍采用的方法！GFEK6反应谱理论阶段的主要进展反应谱理论阶段的主要进展与静力法相比，其与静力法相比，其主要进展主要进展是：是：(1) 改变了静力法中关于刚体结构的假设，更真实地模改变了静力法中关于刚体结构的假设，更真实地模拟了结构振动，各质点间具有相对振动加速度；拟了结构振动，各质点间具有相对振动加速度； (2) 指出地震作用与结构动力特性密切相关，即地震作用指出地震作用与结构动力特性密切相关，即地震作用随结构自振周期、振型和阻尼的改变而改变这个基本特随结构自振周期、振型和阻尼的改变而改变这个基本特点；点； (3) 根据多条强振实测记录，经计算统计给出了单自由根据多条强振

6、实测记录，经计算统计给出了单自由度体系反应谱曲线，计算最大地震作用值，使计算大为度体系反应谱曲线，计算最大地震作用值，使计算大为简化；简化；7动力理论阶段动力理论阶段 动力法把地震作为一个时间过程，选择动力法把地震作为一个时间过程，选择有代表性的地震加速度时程作为地震动输入，有代表性的地震加速度时程作为地震动输入，建筑物简化为多自由度体系，计算得到每一建筑物简化为多自由度体系，计算得到每一时刻建筑物的地震反应，从而完成抗震设计时刻建筑物的地震反应，从而完成抗震设计工作。工作。8动力理论阶段的主要进展动力理论阶段的主要进展？ （1 1）反应谱法是最大值的包络，而地震作用是一个）反应谱法是最大值的

7、包络，而地震作用是一个时间过程，时程分析可反映结构地震反应随时间变化的时间过程，时程分析可反映结构地震反应随时间变化的全过程；全过程； （2 2）时程分析可很好地反映结构振动过程中刚度变）时程分析可很好地反映结构振动过程中刚度变化的真实情况及实际地震波全过程的作用；化的真实情况及实际地震波全过程的作用； （3 3）反应谱法强度计算，有时不能找出结构真正薄）反应谱法强度计算，有时不能找出结构真正薄弱层弱层( (部位部位) )，而由弹塑性直接动力分析则可确认识别结，而由弹塑性直接动力分析则可确认识别结构的薄弱环节；构的薄弱环节； （4 4）对于地震动三要素）对于地震动三要素幅值、频谱和持续时间，幅

8、值、频谱和持续时间，静力法静力法( (烈度法烈度法) )仅计及幅值，反应谱法考虑了幅值和频仅计及幅值，反应谱法考虑了幅值和频谱，而时程分析则全面考虑了幅值、频谱和持续时间三谱，而时程分析则全面考虑了幅值、频谱和持续时间三要素对结构的影响。要素对结构的影响。9静力法的理论基础静力法的理论基础刚体的地震反应刚体的地震反应10反应谱法和时程分析法的理论基础反应谱法和时程分析法的理论基础单自由度弹性体系的地震反应单自由度弹性体系的地震反应单自由度弹性体系的自由振动单自由度弹性体系的自由振动 单自由度弹性体系的强迫振动单自由度弹性体系的强迫振动 11单自由度弹性体系的自由振动单自由度弹性体系的自由振动

9、单自由体系系指体系单自由体系系指体系运动可由一点的单一方向运动可由一点的单一方向运动描述的结构体系，是运动描述的结构体系，是对实际结构的最简单的抽对实际结构的最简单的抽象；常用于解释结构振动象；常用于解释结构振动的基本概念，也可作为少的基本概念，也可作为少数实际工程结构（如柱承数实际工程结构（如柱承式水塔等）的计算模型。式水塔等）的计算模型。弹性意指结构受力后将产弹性意指结构受力后将产生可恢复变形。生可恢复变形。自由振动自由振动是无外界动荷载作用的结是无外界动荷载作用的结构体系的往复运动。构体系的往复运动。 121314单自由度弹性体系的强迫振动单自由度弹性体系的强迫振动 强迫振动是结构体系在外强迫振动是结构体系在外界扰动持续作用下的振动。广界扰动持续作用下的振动。广义的外界扰力包括作用于体系义的外界扰力包括作用于体系动荷载，也包括体系支承的往动荷载，也包括体系支承的往复运动（如地震动）。经典的复运动（如地震动）。经典的强迫振动理论研究弹性体系在强迫振动理论研究弹性体系在简单荷载（如简谐扰力）作用简单荷载（如简谐扰力）作用下的运动性态，其振动包括自下的运动性态，其振动包括自由振动和稳态振动两部分；前由振动和稳态振动两部分；前者随时间的延续而迅速衰减、者随时间的延续而迅速衰减、故又称为瞬态振动；后者振动故又称为瞬态振动；后者振动频率与扰力频率相同，但振动频率与扰力频率相同，但振动