东南大学工程结构抗震分析-一结构抗震分析研究进展.ppt

1、工程结构抗震分析第一部分第一部分 结构抗震分析研究进展结构抗震分析研究进展 工程结构抗震分析1212个关键问题：个关键问题：1 1、地震工程学与工程地震学、地震工程学与工程地震学2 2、抗震设计理论的发展、抗震设计理论的发展3 3、地震反应的分析方法与结构识别、地震反应的分析方法与结构识别4 4、振型遇合问题、振型遇合问题5 5、竖向地震作用效应、竖向地震作用效应 6 6、扭转振动效应、扭转振动效应7 7、随机灾害场、随机灾害场 8 8、基于性能的抗震设计、基于性能的抗震设计9 9、静力弹塑性分析方法、静力弹塑性分析方法1010、结构损伤机理与安全评估、结构损伤机理与安全评估1111、多种、多

2、种/多重灾害防治多重灾害防治1212、重大工程的动力灾变、重大工程的动力灾变工程结构抗震分析一、地震工程学与工程地震学一、地震工程学与工程地震学（Earthquake Engineering&Engineering Seismology）工程结构抗震分析工程地震学（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）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。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）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。拟实验、地震现象的固体物理学。（3）地震应用：主要

3、包括地震信息和地球内部结构的）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、侦查地下研究、地震区划烈度、地震勘探、地震地质、侦查地下核爆炸。核爆炸。（4）地震接收和数据处理方法：主要包括地震仪的改）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。善和研制、台阵技术和数据处理自动化。工程结构抗震分析地震工程学（土建专业、力学专业）的研究内容（1）地震地面运动）地震地面运动v宏观调查宏观调查v烈烈度度区区划划：中中国国地地震震烈烈度度区区划划（1990）Chinese Seismic Intensity Zoning Mapv地地震

4、震基基本本烈烈度度（Base Intensity）：指指在在50年年期期限限内内，一一般般场场地地条条件件下可能遭遇超遇概率为下可能遭遇超遇概率为10%的地震烈度值。的地震烈度值。v建建筑筑抗抗震震设设计计规规范范 Code for Seismic Design of Buildings(GB500112001):采采用用抗抗震震设设防防烈烈度度、设设计计基基本本地地震震加加速速度度值值和和所所属属的的设设计计地地震震分组。分组。v烈度标准：烈度标准：am、vm、Dm、arsm、TDv强震观测：包括常规分析。强震观测：包括常规分析。工程结构抗震分析地震工程学（土建专业、力学专业）的研究内容 （

5、2）结构抗震动力计算和设计）结构抗震动力计算和设计 v结结构构动动力力特特性性（质质量量、刚刚度度、阻阻尼尼、振振型型、自自振振频频率率、阻阻尼尼比比）：结构脉动试验、振动试验；结构脉动试验、振动试验；v结结构构动动力力反反应应（位位移移、速速度度、加加速速度度、内内力力）：力力学学模模型型、分分析析方法、破坏机理；方法、破坏机理；v结构抗震设计：根据抗震规范进行抗震验算和构造措施结构抗震设计：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）特殊结构（核电站、海洋平台、大型构筑物）。工程结构抗震分析二、抗震设计理论的发展二、抗震设计理论的发展 工程结构抗震分析 地震

6、作用（地震作用（Earthquake Action）是指由地震动引起）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。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，即地震作用身所受到的惯性力，即地震作用=即地即地震作用与地面运震作用与地面运动和和结构响反构响反应有关有关。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：相连，主要经历了三个阶段：工程结构抗震分析 1900年年日日本本学学者者大大森

7、森房房吉吉提提出出震震度度法法概概念念。该该理理论论假假定定结结构构物物为为绝绝对对刚刚体体，结结构构物物上上任任一一点点的的绝绝对对加加速速度度与与地地面面运运动动加加速速度度相相等等，而而与与结结构构动动力力特特性性无无关关，结结构构上上各各部部位单位质量所受到的地震力相等。位单位质量所受到的地震力相等。式式中中，k为为地地震震系系数数，根根据据多多次次地地震震震震害害分分析析得得出出用用以以反反映映该地区地震强烈程度，该地区地震强烈程度，k=0.10.2。第一阶段（20世纪初40年代）静力理论阶段（Static Method）工程结构抗震分析 反反应应谱谱理理论论考考虑虑了了结结构构动动

8、力力特特性性与与地地震震动动特特性性之之间间的的动动力力关关系系，通通过过反反应应谱谱来来计计算算由由结结构构动动力力特特性性（自自振振周周期期、振振型型、阻阻尼尼）所所产产生生的的共共振效应振效应（含共振效应）（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式中中，称称为为动动力力放放大大系系数数或或放放大大系系数数，用用表表示示结结构构动动力力特特性性；Sa为为绝绝对加速度反应谱。对加速度反应谱。第二阶段（20世纪5060年代，现仍使用）反应谱理论阶段（Response Spectrum）工程结构抗震分析第二阶段（2

9、0世纪5060年代，现仍使用）反应谱理论阶段（Response Spectrum）地震反应谱是指单自由度弹性体系在给定的地震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作用下某个最大反应量peak response（如位移、速度、（如位移、速度、加速度等）与结构体系自振周期加速度等）与结构体系自振周期T T的关系。的关系。反应谱理论尽管考虑了结构的动力特性，它仍然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。把地震力当作静力看待，所以又称为等效静力法。工程结构抗震分析第三阶段（20世纪70年代至今）动力理论阶段（Time History

10、 Method）动力抗震设计理论具有如下特点：动力抗震设计理论具有如下特点：（1）输输入入地地震震动动参参数数需需要要给给出出符符合合场场地地情情况况、具具有有概概率率意意义义的的加加速速度度过过程程，对对于于复复杂杂结结构构要要求求给给出出地地震震动动三三个个分分量量的的时时间间过过程程及及其其空空间间相关性。相关性。（2）全面考虑了地震动特性的三要素：幅值、频谱、持时。）全面考虑了地震动特性的三要素：幅值、频谱、持时。（3）结结构构和和构构件件的的动动力力模模型型应应接接近近实实际际情情况况，要要包包括括结结构构的的非非线线性性恢复力特性。恢复力特性。（4）动动力力响响应应分分析析要要能能

11、给给出出结结构构响响应应的的全全过过程程，包包括括变变形形和和能能量量损损耗的积累。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。）设计原则考虑多种使用状态和安全的概率保证。工程结构抗震分析第三阶段（20世纪70年代至今）动力理论阶段（Time History Method）动力抗震设计理论涉及十分广泛：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）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）时程分析方法（力学模型、恢复力模型、步步积分法）3简简化化分分析析方方法法（简简化化模模型型、弹弹塑塑性性谱谱、弹弹塑塑性性变变形形

12、简简化化计计算算、静静力弹塑性分析方法）力弹塑性分析方法）4破坏试验破坏试验5竖向振动竖向振动6扭转效应扭转效应7地基地基基础基础上部结构共同作用（相互作用）上部结构共同作用（相互作用）8结构减震与控制结构减震与控制9结构物地震波的多点输入结构物地震波的多点输入10专家系统、模糊识别专家系统、模糊识别工程结构抗震分析三、地震反应的分析方法与结构识别三、地震反应的分析方法与结构识别工程结构抗震分析第一种划分方法确定性分析方法与非确定性分析方法 确定性分析方法确定性分析方法是指地震地面运动的加速度是指地震地面运动的加速度 是时是时间间t的已知和确定的函数，根据这个地震作用求出的结构响的已知和确定的

13、函数，根据这个地震作用求出的结构响应应 也是时间也是时间t的确定函数。的确定函数。非确定性分析方法非确定性分析方法，即随机振动分析方法，就是指地震，即随机振动分析方法，就是指地震地面运动的加速度地面运动的加速度 不是时间不是时间t的确定函数，对任何一个的确定函数，对任何一个固定的固定的t，为一个随机变量，其地面加速度为随机过程，为一个随机变量，其地面加速度为随机过程，而结构响应而结构响应 也是一个随机过程。也是一个随机过程。工程结构抗震分析第二种划分方法时域分析方法与频域分析方法 时域分析方法（时域分析方法（Time Domain Analysis）是将地震波是将地震波按时段进行数值化后，输入

14、结构体系的振动微分方程，按时段进行数值化后，输入结构体系的振动微分方程，采用逐步积分法进行结构动力反应分析，计算出结构在采用逐步积分法进行结构动力反应分析，计算出结构在整个强震时域中的振动状态全过程，给出各个时刻各杆整个强震时域中的振动状态全过程，给出各个时刻各杆件的内力和变形，以及各杆件出现塑性铰的顺序。它从件的内力和变形，以及各杆件出现塑性铰的顺序。它从承载力和变形两个方面来检验结构的安全和抗震可靠度，承载力和变形两个方面来检验结构的安全和抗震可靠度，并判断结构屈服机制和类型。并判断结构屈服机制和类型。工程结构抗震分析第二种划分方法时域分析方法与频域分析方法 频频域域分分析析方方法法（Fr

15、equency Domain Analysis）：对对于于线线性性结结构构系系统统，由由于于存存在在叠叠加加原原理理，其其时时域域解解与与频频域域解解是是完完全全等等价价的的。用用频频域域分分析析方方法法进进行行线线性性结结构构体体系系动动力反应分析的基本步骤是：力反应分析的基本步骤是：（1）根据体系运动方程求出频域传递函数；）根据体系运动方程求出频域传递函数；（2）采用快速傅氏变换（）采用快速傅氏变换（FFT）求出荷载的傅氏谱；）求出荷载的傅氏谱；（3）应应用用频频域域传传递递函函数数和和荷荷载载的的傅傅氏氏谱谱计计算算体体系系每每一一频率分量的频域解；频率分量的频域解；（4）采用快速傅氏逆

16、变换将频域解转化为时域解。）采用快速傅氏逆变换将频域解转化为时域解。工程结构抗震分析第三种划分方法输入 结构 响应（1）正演：已知输入、结构参数求响应。）正演：已知输入、结构参数求响应。（2）反反演演：已已知知响响应应、结结构构参参数数求求输输入入，例例如如已已知知土土的的响应和土的结构参数求基岩的地震输入。响应和土的结构参数求基岩的地震输入。（3）结结构构识识别别（System Identification）：已已知知输输入入、结结构响应求结构参数。构响应求结构参数。工程结构抗震分析第三种划分方法输入 结构 反应采用优化技术调整采用优化技术调整 试验：已知输入试验：已知输入 分析：假定结构参数向量分析：假定结构参数向量 从结构上实测响应从结构上实测响应 计算结构响应计算结构响应 计算误差函数计算误差函数 输出输出 FT工程结构抗震分析四、振型遇合问题四、振型遇合问题（Modal Analysis Method）工程结构抗震分析问题的提出：问题的提出：多振型、振型间的相关性多振型、振型间的相关性?各振型的最大值不同时出现，如何组合各振型的最大值不同时出现，如何组合?计算出作用于结构上的