结构抗震设计采用能量法

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1、ISSN1002-0705中国地质大学学报，Vol.l4,No.2,p.166-168,June2003中国印刷采用能量法的结构抗震设计胡蓉蓉土木工程学院华中科学技术大学武汉430074摘要：关于能量法的结构抗震设计概念的现状总结被表达成三个部分:地震输入、结构需求和结构提供的能力。一种新基于瞬时输入能量的地震反应和损伤标准分析的方法被提岀了。关键词：能量法最大位移瞬时输入能量引言目前迫切需要提高抗震设计，开发更好的方法来确定合理的改造策略和技巧。抗震设计的两种最常用的方法是以谱加速度为基础的设计

2、方法和非线性动力分析方法。但在前一种方法中有很大的局限性，而后者则是非常复杂的，要求捕获反应的所有相关方面。Housner（1956）在20世纪50年代提出了一种基于能量的设计方法并在简单的结构设计中使用能量平衡关系。能量概念能很好地反映地震震动的强度，频繁程度特别是运动持续时间。能量法己经获得了广泛的关注。能量方程给定一个阻尼单自由度（单自由度）系统受到水平地震地面震动，运动方程可以写为：也x+D（乂）*+F（x）=—〃叫⑴其中m是质量；DG）是阻尼力；F（x）是恢复力；味是地面加速度：X,•丫

3、和x分别是结构的相对位移，速度和加速度。由相对速度大乘（1）式中每项并将方程相对于“t”的时程整合。D(上)AdZmXnidt・0(2)Ev+EdIEh=Ei(3)其中Ev,Ed和Eh分别是由可恢复的弹性应变能和不可恢复的滞回耗能组成的动能，阻尼能量和被吸收的能量。你是输入能量。在能量法里，假设方程（3）在每个地震震动过程屮都是成立的，换句话说，总输入能量与总消耗能量保持平衡。对于结构抗震设计能量法，各能量项之间的关系和各能量项的评价估需耍研究。在一个结构能量反应中，动能和弹性应变能是只能转换的能

4、量，不能消耗的能量。在弹性反应中，对于结构消耗地震能量，它主要依赖于阻尼耗能，而在弹塑性反应中它主要依靠滞冋耗能。能量方程也可以解释的地震隔离和消能系统的设计原则。在传统的结构中，抗震设计主要依赖于结构构件提供所需要消耗的能量的变形能力，这可能会导致结构的破坏。采用地震隔离和耗能的技术，在强烈的震动中传送至主要结构的能量能有效地通过隔离层的变形或耗能的改性阻尼器减少。那么结构对地震的反应和损害可被减少。极限状态抗震设计能量法在极限状态抗震设计的能量法中，检查设计地震中消耗的总能量的主要设计准则是以

5、结构吸收这种能量的能力为限制的。该方法包括三个基木要素：地震输入，结构需求和结构提供的能力(BerteroandUang,1992)o地震输入的选择或设计在抗震工程的现代原则，轻度，中度和重度地震地面震动需要不同的设计标准。因此，遇到的一个主要问题是就其严重程度或潜在的损害来识别地震地面震动。有几个参数地震地面震动的潜在损害有关，如最人加速度，最人加速度相关的速度，持续时间和地面震运动的卓越周期。研究表明，地震输入总能量与上述所有项有关，所以总能量输入是代表地面震动的损伤潜能的重要指标。Berte

6、roandUang(1992)指出，只有单一的能量指数不能准确评估地震造成的结构破坏。他们建议选择可能会发牛在某个站点的地面震动中最大的总能量输入的关键地面震动，然后用吋程分析结构损伤进行评估。结构的能量需求右手侧的方程(3)显示结构中的能量需求需要用能量的方法来进行评价。一个结构的能量输入是相对稳定的指数，不是很依赖结构特性如阻尼，屈服剪切强度，除自然周期的滞冋曲线形状(Filiatraultetal.,1994;UangandBertero,1990)o在许多现有的程序屮，输入能量谱是直接由弹

7、性输入能量谱确定的。传给系统屮的地面震动的卓越周期附近的自然周期的最大输入能量需要主要关注。在能量输入频谱的评估中，Housner和Akiyama是最具代表性的。Housner(1956)假定在一个线性弹性系统的最大输入能量可以从线状弹性伪速度得到，并H可被用作用于在弹性系统的能量需求。但如果结构自振周期运动的卓越周期没有联系，使用该方法可能显著低估输入能量(UangandBertero,1990)□Akiyama(1985)提出了一种双线性形状能量输入频谱并表明，输入到一个多自由度(多自由度)系

8、统的能量可以使用等效的单自由度系统来获得。能量输入主要依靠结构在短时期范围内的特性，并且对采用双线性形状能量输入频谱的评估价可能过于粗略。此外，在长周期范围内，能量输入随周期的增加而减小，所以使用卓越周期的最人输入能量作为长周期结构的能量输入是保守的(Fajfaretal.,1992)。结构提供的能量耗散能力结构通过非弹性变形和在强震的阻尼消耗地震能量。在非线性反应中，滞回耗能占能量消耗的主要地位(Fajfaretal.,1992),所以结构总的滞冋耗能及其分布成为评价结构耗能能力