工程抗震1.doc

硕士研究生非笔试课程考核报告（以论文或调研报告等形式考核用） 2010 至 2011 学年 第 1 学期考核课程： 工程抗震 提交日期： 2011 年 1 月 6 日报告题目：工程抗震综述及时程分析实例考核成绩考核人姓 名 田璐 学 号 2009010106 年 级 2009级 专 业 结构工程 所在学院 土木工程学院 山东建筑大学研究生处制工程抗震综述一、基本概念1.常用术语震源：地球内部发生地震的地方。震中：震源正方向相应的地面位置。震源深度：震中到震源的垂直距离。震中距：建筑物到震中之间的距离。震源距：建筑物到震源之间的距离。极震区：在震中附近，振动最强烈，破坏最严重的地区。等震线：一次地震中，在其所波及的区域内，根据烈度表可以对每一个地点评估出一个烈度，烈度相同点的外包线称为等震线。2.地震波地震是长期积累和能量突然释放后传播到地面时发生的振动现象，震源所释放的波动能是向三维空间的各个方向传播的，途中经过透射、折射与反射，能量不断消耗，到达某一地点并以地震波的形式输出特定的能量。根据在地壳中传播的位置不同，地震波可分为体波和面波。地震波在地球内部是以体波形式传播，体波分为纵波（亦称压缩波，又称为P波）和横波（亦称剪切波，又称S波），纵波的介质质点振动方向与波的传播方向一致，纵波既能在固态物质中传播，也能在液态与气态物质中传播，通常其振幅与周期都比较小。横波的介质质点振动方向与波的传播方向是垂直的，横波只能在固态物质中传播，通常其振幅较大周期比较长。当体波从基岩传播到上层土时，经分层地质界面的多次反射和折射，在地表形成一种次声波面波。面波包括瑞利波（R波）和勒夫波（L波）。瑞利波传播时，质点在波的传播方向和地表面法向所组成的平面内做与波前进方向相反的椭圆运动，在地面上表现为滚动形式。勒夫波传播时，质点在地表面内产生与波前进方向相垂直的运动，在地面上表现为蛇形运动。面波的传播速度约为剪切波传播速度的90%，而面波周期长、振幅大、衰减慢，能传播到很远的地方。面波使地面既垂直振动又水平振动。综上所述，地震波的传播速度以纵波最快，剪切波次之，面波最慢。由于面波的能量要比体波大，所以造成建筑物和地表破坏的主要以面波为主。一般建筑物的震害主要是由水平振动引起，由体波和面波共同引起的水平地震作用通常是最主要的地震作用。3.震级在离震中100km处由Wood-Anderson式标准地震仪所记录到的最大水平位移A的常用对数M，即M=lgA。震级相差一级，地震所释放的能量要相差31.6倍。4.烈度地震烈度：度量某一地区地面和建筑物遭受一次地震影响的强弱程度，每次地震中不同地区的地震烈度不同，我国将地震烈度分为12度小震烈度（多遇地震烈度）：在50年期限内，一般场地条件下，可能遭遇的超越概率为63%的地震烈度值，相当于50年一遇的地震烈度值。中震烈度（基本烈度）：在50年期限内，一般场地条件下，可能遭遇的超越概率为10%的地震烈度值，相当于474年一遇的地震烈度值。大震烈度（罕遇地震烈度）：在50年期限内，一般场地条件下，可能遭遇的超越概率为2%3%的地震烈度值，相当于16002500年一遇的地震烈度值。抗震设防烈度：按国家批准权限审定的作为一个地区抗震设防依据的地震烈度。5.三水准设防，两阶段设计三水准设防：小震不坏，中震可修，大震不倒两阶段设计：建筑结构在多遇地震作用下应进行抗震承载能力验算以及在罕遇地震作用下应进行薄弱部位弹塑性变形验算的抗震设计要求，即：第一阶段设计：首先按与基本烈度相应的众值烈度（相当于小震）的地震参数，用弹性反应谱法求得结构在弹性状态下的地震作用效应，然后与其他荷载效应按一定的组合原则进行组合，对构件截面进行抗震设计或验算，以保证必要的强度；再验算在小震作用下结构的弹性变形。以满足第一水准的抗震设防要求（小震不坏）。第二阶段设计：在大震作用下，验算结构薄弱部位的弹塑性变形，对特别重要的建筑物和地震时易倒塌的结构除进行第一阶段设计外，还要按第三水准烈度（大震）的地震动参数进行薄弱层（部位）的弹塑性变形验算，并采取相应的构造措施，以满足第三水准的设防要求（大震不倒）。在设计中通过良好的抗震构造措施使第二水准（中震可修）要求得到实现。二、单自由度体系的地震反应分析1.结构动力分析中的质量模型集中质量模型，即将结构构件的质量集中放在计算点（质点）处建立运动方程后，若只有单个方程，或虽有多个方程但相互独立，称这种结构为单自由度体系；若某些或所有方程构成联立方程组（即使只有一个质点），称为多自由度体系。分布质量模型，即根据结构的质量分布确定自由度的质量系数。2.有阻尼弹性单质点体系的一般受迫振动的运动微分方程或运动方程的特解杜哈美积分：单自由度体系相对地面最大位移反应：单自由度体系最大速度反应：单自由度体系绝对最大加速度反应：地震动反应谱是指单自由度弹性体系在一定的地震动作用和阻尼比下，最大地震反应量（如最大位移、速度、绝对加速度反应或其规格化量等）与自振周期的关系曲线。由于反应谱描述了相同地震动下不同单自由度体系反应，因而实质反映了地震动自身特性。地震影响系数是指单自由度体系绝对加速度反应与重力加速度g之比，即以为纵坐标，以T为横坐标，可绘出地震影响系数反应谱曲线，抗震规范给出的水平地震影响系数反应谱曲线如图所示：地震影响系数曲线三、多自由度体系的地震反应分析1.集中质量多自由度弹性体系的分析模型采用集中质量模型时，除少数工程可按单质点计算外，大多结构应按多质点分析。对于普通多层结构，质点可设于各楼层标高处，集中于各质点的重力荷载代表值，可取楼层的重力荷载代表值加上、下相邻层构件自重标准值的一半。对于沿高度无明显主质量或有少量主质量的高耸构筑物，采用集中质量模型时，质点可沿高度每隔1020m设置一个，截面突变处和质量集中处也应设质点。单质点体系示意图(a)单层多跨等高厂房；(b)水塔多质点体系示意图(a)多层房屋；(b)多质点弹性体系2.地震作用下多自由度弹性体系的运动方程直接平衡法（刚度法）：对于n自由度体系，运动方程为：其中C取瑞利阻尼。位移法（柔度法）：3.振型分解法基本过程：假定结构为线弹性的，将反应量进行振型分解，运用振型正交性，化为n个独立微分方程，并求得独立方程的地震反应和振型反应，最后将各振型反应叠加得到总地震反应。设 代入方程得：方程两端左乘-j振型广义质量-j振型广义刚度-j振型广义荷载计算步骤:(1)求振型、频率：(2)求广义质量、广义荷载; ；(3)求组合系数; (4)按下式求位移：4.振型分解反应谱法设 代入方程得方程两端左乘-j振型广义质量-j振型广义刚度-j振型广义阻尼系数 -j振型的振型参与系数-体系j振型i质点水平地震作用标准值计算公式-相应于j振型自振周期的地震影响系数；- j振型i质点的水平相对位移- j振型的振型参与系数；- i质点的重力荷载代表值。总之，振型分解反应谱法的计算方法过程主要为：(1)计算多自由度体系j振型各质点i的水平地震作用标准值；(2)计算j振型地震作用标准值下的效应。可按静力方法计算地震作用效应，包括轴力、弯矩、剪力和变形等。5时程分析法时程分析法是对结构物的运动微分方程直接进行逐步积分求解的一种动力分析方法，又称直接动力分析法。根据数值解表达式是隐式或显式，可分为两类方法：一类是隐式迭代法，需预测、校正迭代，另一类是显式方程法，如线性加速度法、平均加速度法、纽马克（Newmark）-法及威尔逊（Wilson）-法、龙格-库特法（Runge-Kutta）等，后两者有高精度和较好稳定性。线性加速度法假定体系的加速度反应解在差分步长内随时间呈线性变化（但速度、位移反应为非线性变化），当采用线性加速度法时，离散时间t应取足够小才能保证足够的精度和稳定性。当t大于单自由度体系周期的1/1.8时，将导致计算结果不稳定或产生发散。实际计算中，一般可取t（1/10-1/5）T。采用时程分析法进行结构弹塑性地震反应分析时，其步骤大致如下：(1)按照建筑厂址的场地条件、设防烈度、震中距远近等因素，选取若干条具有不同特性的典型强震加速度时程曲线，作为设计用的地震波输入。(2)根据结构体系的力学特性、地震反应内容要求以及计算机存储量，建立合理的结构振动模型。(3)根据结构材料特性、构件类型和受力状态，选择适当的结构恢复力模型，并确定相应于结构（或杆件）开裂、屈服和极限位移等特征点的恢复力特性参数，以及恢复力特性曲线各折线段的刚度数值。(4)建立结构在地震作用下的振动微分方程。(5)采用逐步积分法求解振动方程，求得结构地震反应的全过程。(6)必要时也可利用小震下的结构弹性反应所计算出的构件和杆件最大地震内力，与其它荷载内力组合，进行截面设计。(7)采用容许变形限值来检验中震和大震下结构弹塑性反应对应的结构层间侧移角，判别是否符合要求。结构构件常用的恢复力模型：双线型、双线性退化型和三线退化型如下图：双线型退化模型对于钢结构等仅有屈服点的构件更为合适，对于混凝土构件而言，三线型模型则更能表现混凝土的开裂和屈服，能较好的描述钢筋混凝土构件受力的全过程。时程分析法计算结构在地震作用下的响应1.使用软件为平面结构弹塑性地震响应分析软件NDAS2D。2.单位：质量：吨（t） 时间：秒（sec） 长度：米（m） 力：千牛（KN）3.分析结构为三层单跨钢筋混凝土框架结构，节点及单元编号如下图所示：（层高5米，跨度7.5米）4.单元属性梁柱单元刚度性质序号弹性模量截面积惯性矩抗弯刚度系数IIJJIJ10.26E70.20.4167E-2442梁单元刚度性质序号弹性模量截面积惯性矩抗弯刚度系数IIJJIJ10.26E70.20.4167E-244220.26E70.18750.8789E-244230.26E70.1750.7146E-24425.节点集中质量节点M1M2M33、4、5、62.52.507、81.51.506.阻尼参数采用瑞利阻尼，即阻尼矩阵为初始刚度矩阵和质量矩阵的线性组合 ： 阻尼系数 7.地震波选用天津波，时间步长0.02s8.程序输入zxt2 8,2COOR1,0,0,02,7.5,0,03,0,5,04,7.5,5,05,0,10,06,7.5,10,07,0,15,08,7.5,15,00/0/NQDP1,333,13,111,18,111,00/SORT0MASS7,8,1,1.5,1.5,03,6,1,2.5,2.5,00/ELEM21,2600000,0,0.2,0.0041667,4,4,2,0,00/0/1,1,15,-15,0,0,0,0,0,00/0/1,1,3,0,1,0,1,1,0,1,0,02,3,5,0,1,0,1,1,0,1,0,03,5,7,0,1,0,1,1,0,1,0,04,2,4,0,1,0,1,1,0,1,0,05,4,6,0,1,0,1,1,0,1,0,06,6,8,0,1,0,1,1,0,1,0,00/51,2600000,0,0.2,0.0041667,4,4,2,0,02,2600000,0,0.1875,0.0087891,4,4,2,0,03,2600000,0,0.175,0.0071458,4,4,2,0,00/0/1,1,15,-15,0,0,0,0,0,02,1,15,-15,0,0,0,0,0,03,1,22.5,22.5,0,0,0,0,0,00/0/1,3,4,0,2,0,2,2,0,1,0,02,5,6,0,2,0,3,3,0,1,0,03,7,8,0,3,0,3,3,0,1,0,00/MAXX10DPRX7,7,10/GPRT7,7,10/SKSVDAMP0.64,0,0EIGE3,0.00001DATD0.5,0.16667,1.4,0.02EQRA1,500,-500,0.02,0.01,0,0EQAX tianjin record 1976,8,31(Time int. =0.02 s.) 1.9, 5.7, 8.5, 2.8, -2.8, -3.9, -2.5 -4.2, -7.9, -5.7, -.3, 3.1, 1.9, 1.9, 6.7 11.4, 17.7, 24.8, 31.4, 35.1, 38.8, 43.1, 47.5 50.9, 53.3, 56.9, 60.5, 64.1, 67.7, 67.7, 65.0 64.1, 51.8, 22.3, -6.6,-28.8,-51.0,-65.8,-75.7 -85.7,-89.6,-88.5,-92.0,-91.6,-98.6,-105.7,-112.8-112.2,-107.3,-102.3,-97.3,-93.6,-92.0,-80.6,-65.0 -49.5,-35.4,-25.1,-14.7, -4.1, 5.2, 11.3, 17.8 22.8, 29.5, 47.1, 64.7, 77.0, 84.0, 90.6, 94.3 99.433,104.622,103.832, 94.583, 77.437, 59.897, 42.018, 27.467 20.586, 11.506, 1.692, 4.004, 8.968, 12.408, 9.306, 4.286 -3.046,-14.044,-24.647,-34.912,-27.128,-14.438, 3.158, 22.109 29.328, 26.959, 30.456, 36.322, 31.471, 13.649,-16.300,-39.085 -26.846, -8.404, -4.061, -6.373, -.620, 4.850, 11.280, 13.931 11.562, 9.193, 6.317, -2.030,-22.109,-44.782,-34.009,-10.547 1.748, 2.030, 8.178, 19.909, 30.174, 27.185, 25.888, 24.365 22.222, 18.217, 3.666,-13.141,-33.389,-40.777,-48.391,-49.801 -47.038,-51.211,-57.697,-62.378,-56.005,-48.955,-46.530,-39.424 -25.042, 3.271, 24.365, 39.649, 58.938, 79.637, 93.173,106.652 106.934,103.832, 81.836, 58.036, 35.927, 13.423,-14.664,-35.024 -46.981,-58.769,-46.981,-28.087, -4.625, 1.297, -3.553, -3.610 -9.814, -4.456, 11.788, 33.840, 49.632, 47.376, 26.677, 9.701 -2.989,-15.792,-26.000,-20.924,-18.330,-24.026,-26.621,-19.571 -10.772, -.338, -3.779, -8.178, -8.065, -2.425, 11.393, 21.150 20.812, 11.054, -1.974,-15.792,-15.172, -8.911, 7.727, 21.940 26.564, 26.170, 21.714, 17.315, 14.890, 13.762, 10.208, 10.885 20.642, 37.168, 36.660, 24.985, 13.762, 10.547, 8.234, -2.989 -4.004, -5.076, -6.091, -4.286, -1.974, 1.128, -4.568,-12.634 -18.104,-13.649, -6.768, -.902, 4.174, 9.250, 12.521, 11.167 6.712, 16.751, 27.467, 38.690, 36.378, 20.586, 5.922, 3.046 .056,-13.254,-26.790,-40.100,-44.161,-39.706,-31.528,-23.293 -18.443,-17.992,-16.130,-14.551,-15.961,-21.883,-27.805,-27.354 -30.456,-33.558,-31.697,-22.278,-12.859, -6.824, -2.876, -2.764 -8.234,-13.705,-19.176,-18.612,-17.992,-17.371,-15.397,-10.603 -5.640, -.451, 9.024, 18.499, 27.974, 32.825, 28.933, 25.154 26.564, 23.293, 16.243, 9.137, 2.087, -3.215, -7.501, .733 9.024, 17.315, 25.324, 29.328, 30.174, 27.241, 21.940, 15.002 8.065, 1.466, -4.343, -6.994, -8.573,-10.152,-11.506,-12.859 -11.054, -8.460, -6.486, -7.050, -7.727, -8.404, -8.629, -6.260 -6.260, -6.712, -7.219, -1.015, 5.414, 11.788, 15.284, 14.326 6.373, -1.523, -9.024,-14.269,-19.571,-24.703,-29.441,-27.749 -19.402, -8.122, 1.297, 3.722, 4.456, 2.482, .508, -1.410 -.113, 3.779, 7.670, 7.050, 5.302, 3.553, 3.553, 4.174 9.080, 15.059, 18.499, 17.935, 13.818, 5.696, -1.805, .451 2.876, 3.553, 2.030, 4.512, 8.009, 8.573, 7.614, -1.636 -12.464,-21.658,-28.538,-35.363,-34.686,-31.358,-28.031,-24.703 -21.432,-11.675, -5.640, -5.414, -9.024,-12.690,-15.115,-15.623 -14.890,-14.156,-13.085, -9.193, -6.091, -6.768, -7.219, -5.132 1.015, 8.178, 13.480, 15.736, 12.464, 8.516, 3.892, 5.922 8.009, 8.573, 4.681, 1.692, 2.030, 2.425, 1.184, -2.200 -12.182,-18.048,-17.653,-12.577, -7.501, -3.046, -2.256, -4.512 -.508, 3.779, 7.896, 7.332,