工程结构抗震之结构抗震进展

结构抗震分析研究进展

一、地震工程学与工程地震学（EarthquakeEngineering&EngineeringSeismology）

工程地震学（地球物理学专业）的研究内容

（1）地震灾害和预测预防：主要包括地震调查、地震区划、地震预报和预防。（2）地震物理：主要包括地震波理论、震源物理和模拟实验、地震现象的固体物理学。（3）地震应用：主要包括地震信息和地球内部结构的研究、地震区划烈度、地震勘探、地震地质、侦查地下核爆炸。（4）地震接收和数据处理方法：主要包括地震仪的改善和研制、台阵技术和数据处理自动化。地震工程学（土建专业、力学专业）的研究内容

（1）地震地面运动宏观调查烈度区划：中国地震烈度区划（1990）ChineseSeismicIntensityZoningMap地震基本烈度（BaseIntensity）：指在50年期限内，一般场地条件下可能遭遇超遇概率为10%的地震烈度值。建筑抗震设计规范CodeforSeismicDesignofBuildings(GB50011—2001):采用抗震设防烈度、设计基本地震加速度值和所属的设计地震分组。

烈度标准：am、vm、Dm、arsm、TD强震观测：包括常规分析。

地震工程学（土建专业、力学专业）的研究内容

（2）结构抗震动力计算和设计

结构动力特性（质量、刚度、阻尼、振型、自振频率、阻尼比）：结构脉动试验、振动试验；结构动力反应（位移、速度、加速度、内力）：力学模型、分析方法、破坏机理；结构抗震设计：根据抗震规范进行抗震验算和构造措施

特殊结构（核电站、海洋平台、大型构筑物）。二、抗震设计理论的发展

地震作用（EarthquakeAction）是指由地震动引起的结构动态作用，包括水平地震作用和竖向地震作用。地震作用（地震力）是假想的、当地面运动时建筑物自身所受到的惯性力，即地震作用=→即地震作用与地面运动和结构响反应有关。结构地震作用研究的发展和抗震设计理论的发展紧密相连，主要经历了三个阶段：

1900年日本学者大森房吉提出震度法概念。该理论假定结构物为绝对刚体，结构物上任一点的绝对加速度与地面运动加速度相等，而与结构动力特性无关，结构上各部位单位质量所受到的地震力相等。式中，k为地震系数，根据多次地震震害分析得出用以反映该地区地震强烈程度，k=0.1—0.2。

第一阶段（20世纪初—40年代）静力理论阶段（StaticMethod）

反应谱理论考虑了结构动力特性与地震动特性之间的动力关系，通过反应谱来计算由结构动力特性（自振周期、振型、阻尼）所产生的共振效应（含共振效应）。地震时结构受到的最大水平基底剪力，即总水平地震作用为式中，β称为动力放大系数或放大系数，用β表示结构动力特性；Sa为绝对加速度反应谱。第二阶段（20世纪50—60年代，现仍使用）反应谱理论阶段（ResponseSpectrum）

第二阶段（20世纪50—60年代，现仍使用）反应谱理论阶段（ResponseSpectrum）

地震反应谱是指单自由度弹性体系在给定的地震作用下某个最大反应量peakresponse（如位移、速度、加速度等）与结构体系自振周期T的关系。反应谱理论尽管考虑了结构的动力特性，它仍然把地震力当作静力看待，所以又称为等效静力法。第三阶段（20世纪70年代至今）动力理论阶段（TimeHistoryMethod）

动力抗震设计理论具有如下特点：（1）输入地震动参数需要给出符合场地情况、具有概率意义的加速度过程，对于复杂结构要求给出地震动三个分量的时间过程及其空间相关性。（2）全面考虑了地震动特性的三要素：幅值、频谱、持时。

（3）结构和构件的动力模型应接近实际情况，要包括结构的非线性恢复力特性。（4）动力响应分析要能给出结构响应的全过程，包括变形和能量损耗的积累。（5）设计原则考虑多种使用状态和安全的概率保证。

第三阶段（20世纪70年代至今）动力理论阶段（TimeHistoryMethod）

动力抗震设计理论涉及十分广泛：1．地震波（强震纪录、人工模拟地震波）2．时程分析方法（力学模型、恢复力模型、步步积分法）3．简化分析方法（简化模型、弹塑性谱、弹塑性变形简化计算、静力弹塑性分析方法）4．破坏试验5．竖向振动6．扭转效应7．地基—基础—上部结构共同作用（相互作用）8．结构减震与控制9．结构物地震波的多点输入10．专家系统、模糊识别三、叠地震需反应描的分辞析方许法与元结构师识别第一露种划鸭分方槽法确定漫性分镰析方服法与盯非确枝定性崖分析柄方法确定放性分技析方寺法是指筐地震研地面丹运动球的加咸速度牲是监时间t的已寨知和柱确定廉的函张数，赏根据恰这个尤地震某作用成求出挨的结限构响颂应蛋也攻是时抖间t的确溉定函赏数。非确禁定性酱分析健方法，即虹随机投振动白分析惯方法混，就荣是指驴地震帜地面副运动炊的加随速度在不虎是时办间t的确毅定函碧数，颤对任钓何一典个固株定的t，萝为错一个谅随机嘉变量航，其云地面思加速扫度为泄随机嘴过程望，而摩结构唉响应秧也是常一个右随机拌过程驻。第二叨种划削分方揭法时域箭分析述方法纳与频长域分京析方辱法时域肥分析葛方法派（Ti累me夏D诊om闭ai昆n法An狼al悬ys昆is）是将捷地震票波按梁时段鹊进行驳数值暗化后亩，输喇入结凳构体适系的殊振动粪微分秆方程章，采绪用逐呈步积密分法敞进行宏结构巨动力交反应给分析蒸，计雅算出冻结构笑在整峡个强带震时罢域中抚的振怖动状派态全换过程受，给艺出各浸个时慎刻各搅杆件通的内刮力和确变形帖，以散及各多杆件堪出现薄塑性五铰的波顺序侮。它渔从承茎载力赠和变洪形两跑个方厉面来老检验渡结构踢的安桐全和营抗震备可靠然度，寻并判庸断结叶构屈允服机秀制和霞类型铜。第二温种划关分方荡法时域姻分析秧方法萄与频陡域分察析方拣法频域勤分析痒方法竭（Fr蕉eq絮ue兔nc辫y嘴Do淹ma阅in竿A益na接ly砌si凭s）：对于挤线性窗结构暴系统棒，由迎于存底在叠咏加原谣理，烫其时瘦域解晨与频柱域解跪是完摩全等住价的粱。用便频域畏分析池方法幻玉进行料线性捡结构例体系籍动力难反应车分析洗的基喉本步谊骤是貌：（1烛）根覆据体舒系运货动方征程求段出频似域传击递函中数；（2驱）采椅用快猜速傅情氏变拖换（碌FF摧T）宽求出叛荷载祖的傅幕氏谱宅；（3贱）应搞用频序域传妙递函柳数和裙荷载舍的傅涌氏谱渣计算翁体系也每一杜频率殿分量美的频剥域解盯；（4）采温用快脑速傅宽氏逆葡变换恢将频埋域解宾转化乎为时浸域解左。第三非种划酒分方悄法输入刷结构净响应（1籍）正贿演：茎已知看输入古、结抚构参争数求棚响应鲁。（2贡）反这演：查已知剧响应鉴、结粗构参啦数求终输入冷，例贡如已维知土果的响宅应和笛土的些结构抢参数观求基袭岩的海地震唉输入唉。（3）结士构识莲别（Sy隙st五em化I圾de剩nt块if散ic梦at向io胡n）：辈已知喂输入失、结暴构响跪应求摄结构册参数剂。第三摩种划新分方侧法输入谎结构隶反应采用蜜优化窑技术栽调整试验：已知输入

分析：假定结构参数向量

从结构上实测响应

计算结构响应

计算误差函数

输出

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规律（5燃）当猫地震悔烈度本为8度强炮时，裙高层脆建筑杯顶部少几层题的竖忧向地弹震内惰力，嘉有可捞能达修到甚胁至超栽过重猪力荷要载内源力，蔬说明颜考虑偷竖向现地震械作用途是必仇要的挡。（6故）确缠定水霞平地福震引拖起的争构件刷最不球利受池力状惭态时瘦，需蜓要考告虑地钉震动佛水平滴分量禽自左忌向右庙及自让右向农左两愈种情购况；握确定叙竖向叫地震叔引起呆的构即件最溉不利缴受力壶状态左时，密需要吨考虑赏地震敞动竖桃向分平量向丑上或急向下捎两种律情况鲜。此烈外，神还应闯根据列杆件疾承载荷力验室算时测增重番不利响或减辅重不统利，袄重力找荷载卷分项两系数脾分别产取为1.低2或1.肚0。六、摘扭转所振动爱效应问题广的提责出（1背）地指震动变是一句种随倘机矢刚量，勿可分排解为尿三个更相互琴正交壁的平楚动分蒜量ux、uy、uz和相嚼应的粗转动萄分量θx、θy、θz。三锄个平纲动分劈燕量（拦两个终水平泄和一晨个竖晒向分扭量）纯，已刮在多盼次地后震中猪取得甘了大箭量的距实际乞纪录疯。地惊震动静的转劳动分罪量自颂19融72惑年以叮来取餐得了寇近1榴00捡个地侍震动沿转角葬的实鞋际纪畅录，哀但远肤未达劣到实轿用阶竖段。卧因此喘在工仇程抗宣震分眨析中称仍仅送考虑撒地震拴动的淋三个云平动接分量夜。（2）实秆际结浮构存客在质归心与僚刚心洒不重扁合的令情况缩慧。我短国《悲抗震青规范宿》（GB草50得01西1-确20议01）和往《高惠层规饰程》则（JG绝J3炉-9规1）均英规定茄质量镰和刚序度明进显不限对称侮、不恰均匀耳的结廊构，穗应考刺虑水滋平地形震作此用的团扭转丈影响垂。《元抗震拼规范樱》（GB洁50断01其1-丧20劫01）明勾确应贺计入汉双向更水平延地震伯作用股下的诵扭转撒影响溉。扭转鞭振动蚕效应馋计算闲方法1.呈偏心冈距法优点氧：计提算简魂单，吉与底渗部剪接力法戚相配斩合可蛇很快散计算猜出高育层建腥筑偏耍心结宅构地镇震作滚用下翁扭转胜效应指的近帖似值仇，可陪用于鬼方案格比较伶和设超计阶娱段。缺点送：偏免心距萍是主奖观计细算出壳的，跟非客列观存伤在的吩，物敞理概遗念不绕够清塞楚。没（1）将售结构青的振胸动问池题当嫁作静趋力问济题对拼待；吵（2）忽湿略了伯上、逝下各慢楼层夜之间揉扭转侦振动宫效应棉的相胜互影逗响，租把多过层结察构的里扭转校振动铃效应鸦按单榴层结际构来云处理靠；（3）各新楼层暖实际锋上不冻存在酿固定励不变醉的惯仆性力咏中心签和刚育度中撕心。钢筋捞混凝稻土全平墙体锡系和勉框—符墙体垮系的谊简化宰偏心汁距法朽：（一暂）全顾墙体占系（争抗震越墙体兄系）1．举刚度畅中心第i楼层海刚度贺中心数在X领’O蒜’Y般’参宁考坐马标系册中的拉坐标设为，式中修，EIxs、EIys为x方向参或y方向您第s片抗粒震墙嘉的相鲜对抗逆弯刚敏度；、惜为X’厦O’付Y’参考遵坐标昆系原励点到否第s片抗速震墙灿的垂贯直距工离。2．就偏心型距第i楼层蒙的折弱算偏蓄心距宇为，式中执，Vxk、Vyk为第k层的x向和y向的季水平离剪力捷；exk、eyk为第k层水秀平剪私力对坟第i层刚休度中店心的游偏心凝距；n为房状屋总铅层数伏。3．忆水平证扭矩第i楼层耗的水予平扭钥矩T为式中壁，Vx、Vy为第i楼层侄沿x向和y向的注水平虚剪力喉。4．安抗震祖墙剪旨力第i楼层探中，子第s片抗矮震墙皱考虑压扭转采后的永剪力雄为，，式中岛，Vxs蹈0、Vyx沃0为未哑考虑苍扭转挡时第s片抗里震墙外的剪矩力；ηxs、ηys为x向和y向的恐扭转眠效应恨系数扛；rxs、rys为坐夺标系XO叨Y原点敬（即党第i楼层狭刚度厘中心慕）沿x向和y向到卫第s片抗撒震墙宿重心乱的垂岸直距形离。（二衔）框房诚—墙精体系1．以构件匀层间糟刚度第i浇楼层熊第s肠片抗宴震墙泰或框皇架柱狸的层倘间抗科推刚赢度为式中斧，Vs为未驶考虑贷扭转很时第慨s柱淋（墙赞）所畅承担牌的水隔平剪伴力；Δu为第i楼层桌的层蚂间位钩移。2．当刚度络中心第i庸楼层雾刚度镜中心折在X虚’O萍’Y娃’参补考坐病标系摄中的辉坐标肆为，式中叙，Dxs、Dys为第砖i楼筛层第靠s柱特（墙纯）沿倍x向熊和y裤向的通层间浪抗推奶刚度伴；、片为第i楼层X’侦O’女Y’参考治坐标盖系原言点沿x向和y向到杠第s柱（膀墙）熔重心缺的垂坟直距秃离。3．水慕平扭耽矩第i楼层妙的折挂算偏撇心距猴和第i楼层临的水疏平扭逐矩计乞算同爽全墙穷体系技。4．构杂件剪斤力第i楼层溜中，砌第s柱（击墙）添考虑珍扭转日后的顽剪力他为，，式中公，Vx、Vy为第i楼层救沿x向和y向的妈水平旋剪力猴；Vxs笋0、Vyx泥0为未平考虑贺扭转璃时第i楼层陡第s柱（允墙）淡的x向和y向的塌剪力袄；ηxs、ηys为x向和y向的伍扭转山效应刊系数迁；rxs、rys为第慎i楼圈层坐险标系庭XO史Y原巡寿点（赴即第瓶i楼镰层刚撑度中番心）巧沿x诱向和裁y向葬到第蜂s柱诉（墙幼）重番心的枪垂直拌距离病。扭转摄振动穴效应震计算债方法2.训振型李分解对法可行耍性对称拐结构：在嗓地震焦动平袍移分肉量作陈用下锤仅发厦生平替移振仿动，石在地菊震动忽扭转厅分量态作用询下仅梯发生挨扭转坑振动帜，两矛者互萍不耦闯连，刘可以舱采用摆振型货分解手法计躁算。偏心占结构：扭根转振怜动与制平移盘振动粪耦连拍，每患一振藏型都变包含革平移犯分量肯和扭疏转分辣量。黑但可桂以认趋为各暖振型满是相谷互独飞立的眼，并汉不耦蝴连。共因此眉仍可兵按振惰型分岁解法局计算筝。结构脏振动眠分析础模型在双斑向水倦平地抬震作国用下堵，对概于非床对称躁结构躲，不闹论是江单向恨还是唯双向啊偏心吓，每糊层楼描盖都显会产陈生三猴个位眼移—铲—两匹个正讨交方烈向的模平移拣和一误个水窄平转隶角。由于侵质点读是一型个没骆有尺晓寸的令抽象表点，推不具贫备转苏动惯臣量，绒无法尊描述的转角的，所奖以“染竖向押串联根质点鞭系”微不适丹合作叮为非咬对称吸结构传抗震土分析认的振络动模珠型。只有谋具备公一定纹平面颈尺寸止和转起动惯闻量的割刚片失，才登能充蜜分描挎述非益对称外结构铅中刚王性楼搂盖的城振动肤状态文和特扮征。午故采饼用“锋竖向边串联砌刚片伙系”吨作为狐结构膊的振宰动模夫型。仅存躺在单喝向偏峰心的恒高层泳结构构，沿记无偏习心方干向的馅振动础属于凉平移存振动志，与惊有偏伏心方贱向的侧平移馆—扭戴转振幼动独门立无融关，华互不矿耦连歌。故眉对于饭单向挤偏心肝结构鹅，仅门考虑因一个葬方向渴地震伟时，愁应该问沿房扫屋的舟纵向恼和横孩向，沿分别祖进行蓝单方将向地斗震动聋输入凝的抗富震分注析，茂其结斗构振优动模高型应横分别痛采用挑串联阵的质牲点系棚和刚湿片系捐。坐标龙系的恢选择将每逼层楼砖盖的张坐标薯原点咳选定衫在各紧楼盖执的质绞心处歪。这剂样所颂建立遮的串母联刚仁片系吗的振苏动方迈程，德质量妻矩阵洁为对雪角阵敌，计粒算高热层偏壶心结场构的俱特征咐值和牢特征绢向量脱比较跌简单诉方便毅。由漫于各朵层楼妨盖的唇质量托中心择并不交一定忆位于祖同一风竖直浓线上占，所掘以，团作为弯高层沃偏心非结构谦抗震塔分析扶的振生动模缓型，骄往往夜是带谨有曲良折竖雕杆的维串联角刚片森系。结构杠平—赵扭振妨动方兽程在地扎震动x和y双向齐平动航分量饲作用达下，启串联套刚片韵系的驰平移纷—扭概转耦腔连振污动微测分方漏程为式中虹，苗、杯、个分别纱为刚夕片系稿各层置刚片项质心蝇处的部瞬时屯广义巴相对架位移柄、相透对速扎度和井相对秧加速妄度列刊向量为地桐面双既向运先动水倦平加躲速度膊列向印量[M剃]为刚妻片系苏的广总义质砌量矩迹阵，脑其中飘，[m陆]为刚侮片系泰的质弓量矩晕阵，[J皂]为刚牵片系柿的转教动惯虽量矩洗阵，n为串窝联刚拴片系拦的刚抚片数着（即崇层数同），3n为串粮联刚惜片系引的自美由度西。其中[m正]=蕉di花ag寨[m(1刻)m(2呀)…m(r笑)…m(n旁)]，[J扮]=芝di缓ag乘[J(1孟)J(2还)…J(r萄)…J(n盼)]。[K周]为刚桨片系脸的广抖义刚弹度矩盒阵，精其中攀，[Kx]、[Ky]分别瓣为整突个结币构沿x方向留和y方向谈平动坑的抗攀推刚辛度矩抱阵；[Kxs]和[Kyi]分别刑为第s榀纵爬向竖薄构件拿和第i榀横味向竖烧构件袭的抗悠推刚枯度矩债阵；[Kxφ]、[Kφx]为整蔽个结漫构沿x方向婆平动呆与沿xy平面武转动辈的耦言合刚律度矩海阵，[Kyφ]、[Kφy]为整阔个结榆构沿y方向康平动危与沿xy平面哭转动疼的耦互合刚俭度矩架阵，[Kyφ]等于招将[Kxφ]中各旧元素头的下潜标x和y换为y和x，并迎将矩绣阵前闲的负武号（-1）取肾消；[Kφ]为整丈个结待构当呜各楼膨层楼服盖分善别沿闸自身侵平面典转动扇时的渣抗扭话刚度肯矩阵骂。第r抢层刚亡片的疑抗推慢刚度欢系数泥和扁等俯于依茫次仅优使某桃一层柏（第挺t层藏）刚患片沿驱x向唉和y冻向产暂生单胶位位抚移，唱而需重在第奇r层壮刚片柱处沿柿x向康和y由向分园别施财加的孝水平例力：，巡寿（故r=最1，暂2，衰…，借n）式中殃，勿、悲为江第s纵向朽竖构机件或谱第i横向着竖构法件，大由于圆仅使妄第t楼盖族产生x或y方向愤单位夹平移莫，而炮需在茎该构忍件第r楼盖歼刚心君处沿x向或y向所假施加捡的水演平力父。第r键层刚寺片的孝抗扭件刚度冤系数殊，稼等于烂依次萌仅使伸某一监层（舰第t宽层）喝刚片突围绕饺其质活心处户竖轴螺产生悦单位背转角针，并亡保持章其他逐各层绢刚片靠不发桂生转坚动，臂需要愤对第劳r层确刚片扛分别其施加轮的水绒平力润矩。（r久，t零=1译，2害，…桶，n吴）转动简惯量第r层刚粉片绕男其质内心处虎竖轴耀的转月动惯映量，行等于僚就近扫集中忌到第r层刚圆片处秒的上愁、下演各半围层所仿有构参件的抽重力昨荷载漠，分岗别乘沈以刚奸片质丸心到膛各该乘构件煤重心归的垂走直距扬离的比平方贺之和塌。（1照）矩赠形平考板楼盖搬之类先具有届均布易质量些的矩及形平满板，少绕其核自身煮质心图m0处竖档轴的雄转动生惯量休为，式中欺，标、谷分别祥为平懂板的法单位犹面积反质量补和总混质量友；a，征b分爷别为板平板很的长距度和继宽度驳。矩形帽平板否绕本帆层刚效片质马心扬处竖磨轴的柜转动软惯量架为式中判，d为平松板自听身质农心到洁刚片封质心绩的距正离（2汁）条陪形构茎件抗震冤墙、讽隔墙俯、围舒护墙睛等水熔平截尊面为桌条形叔的均磨布质米量构李件，棋绕本节层刚溉片质据心狡处盒竖轴受的转兼动惯扇量为，式中漆，h旬为刚网片质咽心恢到差条形托构件位重心季所在让竖平疑面的监垂直伯距离腔；、待分袭别为歉条形员构件毁集中案到本携层楼兴盖处禽的单疑位长阴度质艇量和餐总质乎量；a1、a2分别六为条仆形构桃件两唉端到弟Y轴悔的距伤离，井均取翼正值语。（3绒）分浩散构绒件框架弱柱之歌类分崇散的交较小年截面分构件凝，绕警其自视身质示心的挡转动钳惯量嗽很小谷，可维略去锅不计霞，绕蜘本层撕刚片驼质心遥处宿竖轴赞的转族动惯蓄量为式中双，mi为第i构件顶集中辩到本摔层楼欲盖处燃的质裂量。振型芽分解根据规振型傍分解这原理汪，将秒振动教方程捡中的饥、凤、聚表突示为、肯、式中笋，[拖A]以为振仅型矩糖阵，喊其表川达式络为式中血，N井为所装考虑减的振漫型数贺。、眉、错分强别为嘉第j灯振型桐在x鸣、y追、φ芳方向派的向跟量将毕、糕、惩的表祸达式融代入封“串啊联刚森片系呢”的翅振动辽方程级，利奇用振粥型正连交原虑理，闷将原而振动讽方程至分解悦为3慰N个间相互益独立长的二夜阶微偏分方搁程，觉其通铅式为（j什=1辱，2后，…铲，3撤N）与单岗向平省移振泉动的湖运算券类似窜，可首以得绞到考赖虑扭跌转地轮震效唇应时闻的水野平地桂震作茧用标皇准值蚁的计丙算公决式：（i尼=1丢，2葱，…筐，n粒；子j=布1，义2，煤…，指m）式中雨，嫌、侦、仁分别刃为j艰振型唤i层戴的x孔向、描y向企和转积角方钳向的书地震栏作用辽标准五值；、旧、垃分讨别为闻j振佳型i拖层在竭x向价、y豪向的赏水平症相对美位移驼和转姓角方衣向（嫌或X妹Y平惕面）劳的相吼对扭练转角质；ri为i秀层的昂转动捐半径品；扇为考云虑扭纲转的锣j阶明振型挑参与多系数荣，当仅娃考虑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