第三章-1 工程结构地震反应分析与抗震验算

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1、3.1概述地震作用结构的地震反应结构、构件的地震作用效应第三章地震作用和结构抗震验算地震作用和结构抗震验算是建筑抗震设计的重要环节，是确定所设计的结构满足最低抗震设防安全要求的关键步骤。由于地震作用的复杂性和地震作用发生的强度的不确定性，以及结构和体形的差异等，地震作用的计算方法是不同的：(1)底部剪力法(2）振型分解反应谱法（3）时程分析法（4）静力弹塑性方法地震作用的概念和特点地震作用：地震释放的能量，以地震波的形式向四周扩散，地震波到达地面后引起地面运动，使地面原来处于静止的建筑物受到动力作用而产生强烈振动。在振动过程中作用在结构上的惯性力就是

2、地震作用。(以前称为地震荷载)（1）不是直接作用在结构上，属于间接作用；（2）不仅取决于地震烈度、设计地震分组和场地类别等地震特性，还与结构的动力特性（自振周期、阻尼等）密切相关。特点？结构抗震理论的发展过程静力理论阶段反应谱理论阶段动力理论阶段基于性态的抗震设计理论-Performance-basedseismicdesign一、结构抗震理论的发展1.静力理论阶段---静力法1920年，日本大森房吉提出。假设建筑物为绝对刚体。地震作用---地震系数将F作为静荷载，按静力计算方法计算结构的地震效应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

3、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。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）2.反应谱理论---反应谱法1940年，美国皮奥特提出。地震作用---重力荷载代表值---地震系数（反映震级、震中距、地基等的影响）---动力系数(反映结构的特性,如周期、阻尼等的影响)按静力计算方法计算结构的地震效应目前，世界上普遍采用的方法。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

4、）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）第二阶段（20世纪50—60年代，现仍使用）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（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。以地震加速度反应为竖坐标，以体系自振周期为横坐标，所得到的关系曲线称为地震加速度反应谱，以此来计算

5、地震作用引起的结构上的水平惯性力更为合理，这即是反应谱法。对于多自由度体系，可以采用振型分解组合方法来确定地震作用。3.直接动力分析理论---时程分析法将实际地震加速度时程记录（简称地震记录earth-Quakerecord）作为动荷载输入，进行结构的地震响应分析。此外，有用随机振动理论来分析结构地震响应统计特征的，有以地震时输入结构的能量进行设计，使结构所吸收的能量不致造成结构破坏的理论等。但这些方法还没有进入抗震设计规范，因此未被抗震设计使用。4.非线性静力分析方法（PushOverAnalysis)第三阶段（20世纪70年代至今）动力理论阶段（

6、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

7、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、模糊识别二、与各类型结构相应的地震作用分析方法不超过40m的规则结构：底部剪力法；一般的规则结构：两个主轴的振型分解反应谱法；质量和刚度分布明显不对称结构：考虑扭转或双向地震作用的振型分解反应谱法；8、9度时的大跨、长悬臂结构和9度的高层建筑：考虑竖向地

8、震作用；特别不规则、甲类和超过规定范围的高层建筑：一维或二维时程分析法的补充计算。3.2单自由度弹性体系的地