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1、抗震结构设计课程论文班级：大禹力学姓名：任 江 涛学号：1119020115任课老师：张旭明第一章 地震与地震灾害1.1地震地震是地壳快速释放能量过程中造成的震动，期间会产生地震波，其中地震波又分为S波及P波。地震可由地震仪所测量，地震的震级是用作表示由震源释放出来的能量，通常以“里氏地震规模”来表示；烈度则透过“修订麦加利地震烈度表”来表示，某地点的地震烈度是指地震引致该地点地壳运动的猛烈程度，是由震动对个人、家具、房屋、地质结构等所产生的影响来断定。地震类型按地震形成的原因分类可分为：构造地震、火山地震、陷落地震、诱发地震、人工地震。在地球内部传播的地震波称为体波，分为纵波和横波。振动方向
2、与传播方向一致的波为纵波（P波），传播速度较快，到达地面时人感觉颠动，物体上下跳动，来自地下的纵波引起地面上下颠簸振动。振动方向与传播方向垂直的波为横波（S波），传播速度比纵波慢，到达地面时人感觉摇晃，物体会来回摆动。来自地下的横波能引起地面的水平晃动。由于纵波在地球内部传播速度大于横波，所以地震时，纵波总是先到达地表，而横波总落后一步。这样，发生较大的近震时，一般人们先感到上下颠簸，过数秒到十几秒后才感到有很强的水平晃动。横波是造成破坏的主要原因。当体波到达岩层界面或地表时，会产生沿界面或地表传播的幅度很大的波，称为面波。面波传播速度小于横波，所以跟在横波的后面。分为勒夫波和瑞利波。震级是地
3、震大小的一种度量，根据地震释放能量的多少来划分，用“级”来表示。同样大小的地震，造成的破坏不一定相同；同一次地震，在不同的地方造成的破坏也不同。科学家用地震烈度来衡量地震破坏程度。1.2地震灾害地震灾害是指由地震引起的强烈地面振动及伴生的地面裂缝和变形，使各类建（构）筑物倒塌和损坏，设备和设施损坏，交通、通讯中断和其他生命线工程设施等被破坏，以及由此引起的火灾、爆炸、瘟疫、有毒物质泄漏、放射性污染、场地破坏等造成人畜伤亡和财产损失的灾害。地震灾害分为直接地震灾害和地震次生灾害，地震的直接灾害是指由于地震破坏作用（包括地震引起的强烈振动和地震造成的地质灾害）导致房屋、工程结构、物品等物质的破坏；
4、地震次生灾害是指由于强烈地震造成的山体崩塌、滑坡、泥石流、水灾等威胁人畜生命安全的各类灾害。地震次生灾害大致可分为两大类：一是社会层面的，如道路破坏导致交通瘫痪、煤气管道破裂形成的火灾、下水道损坏对饮用水源的污染、电讯设施破坏造成的通讯中断，还有瘟疫流行、工厂毒气污染、医院细菌污染或放射性污染等；二是自然层面的，如滑坡、崩塌落石、泥石流、地裂缝、地面塌陷、砂土液化等次生地质灾害和水灾，发生在深海地区的强烈地震还可引起海啸。第二章 结构动力分析2.1能量法求自振频率2.1.1瑞利能量法根据能量守恒定律，若忽略结构在振动过程中的能量散失。当系统距平衡位置有最大位移的瞬时，其动能T等于零，而应变能具
5、有最大值。反之，在系统经过平衡位置的瞬时，动能具有最大值，而应变能V则等于零。则可以由得到决定频率的方程。设系统中任一质体的运动方程为，则可得其频率为：，称为瑞利商。通常振动形状是事先不知道，所以瑞利法只能求得近似解。通常计算中，采用作用于结构上静荷载产生的挠曲线作为振型，这样所得的结果近似于结构的第一阶振型。还可以用外力做功的数值代替系统应变能的数值，对于既有分布质量又有集中质量时，计算特别方便。外力所做功的最大值为动能最大值为则得到频率为2.1.2李兹（Ritz）能量法瑞利法求解精度取决于假设振型精度，通常只能求得振型基频的上限。Ritz给出级数形式的振型为，式中，为满足位移边界条件的函数
6、，而，则为待定参数。得到瑞利商为引进下列记号则，通过适当选择系数，使值为最小，根据频率为驻值的条件得或，方程系数行列式为零得，展开求得n个频率，将其代入方程即可求得一组系数。这样可以得到系统前n个自振频率和振型函数的近似解。2.2幂法计算自振频率和振型2.2.1最低阶频率和振型的计算将方程左乘，得，循环迭代、拉平直到得到的前后两次频率和振型相同或近乎相同的数值为止，这样得到的频率和振型就是系统的最低自振频率和相应的振型。2.2.2最高阶频率和振型的计算，采用与上相同的迭代，可以求得最高阶的自振频率和相应的振型。2.2.3高阶频率和振型的计算将写成标准形式为，假设的振型为各阶振型的叠加，即，如果
7、在假设振型中，不含第一阶振型的分量，然后反复迭代的结果将收敛于第二阶振型。这样在求得第一阶振型后，利用振型的正交关系清除掉假设振型的第一阶分量，然后迭代求得第二阶振型。依此类推可以求得若干阶振型。2.3子空间迭代法瑞利-李兹法的矩阵形式瑞利方法：对于给定自振频率和振型，则n个自由度系统的最大动能和最大势能分别为：，有能量守恒得李兹法：设对前s阶振型选s个假设的规准化向量，并令假设振型是这s个向量的线性叠加，即，代入瑞利法中得，为了得到最佳逼近，可以通过选择使求得的频率最小。由瑞利商为驻值条件得：，问题又归结为新的特征值问题，这样可以求解每个自振频率和近似振型。子空间迭代法选取s个最大模为1的n
8、维向量作为系统前s阶振型矩阵的零次近似，然后第一次迭代，把系统前s阶振型矩阵的一次近似表示为线性叠加，Z为系数矩阵，由李兹法可知，可求得s阶自振频率和对应的待定系数矩阵，然后求得前阶振型的第一次近似值，再用其进行迭代，循环李兹法幂法，求得前s阶自振频率和振型近似值。第三章 反应谱法反应谱是在特定的地震波作用下，单自由度体系的某一响应量值与自振周期的关系曲线。振型分解反应谱法是用来计算多自由度体系地震作用的一种方法。该法是利用单自由度体系的加速度设计反应谱和振型分解的原理，求解各阶振型对应的等效地震作用，然后按照一定的组合原则对各阶振型的地震作用效应进行组合，从而得到多自由度体系的地震作用效应。
9、假设有一组n个自振周期各不相同，而阻尼比相同的单自由度系统，在某一给定的地震加速度作用下，各个系统的最大绝对加速度响应为, 称为绝对加速度反应谱，用同样的方法可以得到相对速度反应谱。令准速度反应谱为则相对位移反应谱和绝对加速度反应谱可分别表示为，而准速度反应谱与其真速度反应谱的差别一般并不大，可以用其代替。则由地震惯性力的最大绝对值，即地震荷载为，即可以通过某次地震加速度反应谱求出相应的地震荷载。不同的地震其主要差别是烈度不同，其他因素将是相近的。则地震荷载可以表示为：其中称为地震烈度，用K表示，可以通过地震烈度查出相应的K值。称为动力系数，它表示结构最大加速度是地面最大加速度的倍数。 在实际
10、的结构抗震计算中，为了弥合理论计算与客观实际的差距，在地震荷载计算公式中乘上一个系数C，C称为综合影响系数。则地震荷载计算公式为第四章 时程分析时程分析法对工程的基本运动方程，输入对应于工程场地的若干条地震加速度记录或人工加速度时程曲线，通过积分运算求得在地面加速度随时间变化期间结构的内力和变形状态随时间变化的全过程，并以此进行结构构件的截面抗震承载力验算和变形验算。它与底部剪力法和振型分解反应谱法的最大差别是能计算结构和结构构件在每个时刻的地震反应(内力和变形)。当用此法进行计算时，系将地震波作为输入。一般而言地震波的峰值应反映建筑物所在地区的烈度，而其频谱组成反映场地的卓越周期和动力特性。
11、当地震波的作用较为强烈以至结构某些部位强度达到屈服进入塑性时，时程分析法通过构件刚度的变化可求出弹塑性阶段的结构内力与变形。这时结构薄弱层间位移可能达到最大值，从而造成结构的破坏，直至倒塌。作为高层建筑和重要结构抗震设计的一种补充计算，采用时程分析法的主要目的在于检验规范反应谱法的计算结果、弥补反应谱法的不足和进行反应谱法无法做到的结构非弹性地震反应分析。时程分析法的主要功能有：1)校正由于采用反应谱法振型分解和组合求解结构内力和位移时的误差。特别是对于周期长达几秒以上的高层建筑，由于设计反应谱在长周期段的人为调整以及计算中对高阶振型的影响估计不足产生的误差。2)可以计算结构在非弹性阶段的地震
12、反应，对结构进行大震作用下的变形验算，而确定结构的薄弱层和薄弱部位，以便采取适当的构造措施。3)可以计算结构和各结构构件在地展作用下每个时刻的地震反应(内力和变形)，提供按内力包络值配筋和按地震作用过程每个时刻的内力配筋最大值进行配筋这两种方式。总的来说，时程分析法具有许多优点，它的计算结果能更真实地反映结构的地震反应，从而能更精确细致地暴露结构的薄弱部位。4.1拟静力法拟静力法是一种用静力学方法近似解决动力学问题的简易方法，它发展较早，迄今仍然被广泛使用。其基本思想是在静力计算的基础上，将地震作用简化为一个惯性力系附加在研究对象上，其核心是设计地震加速度的确定问题。该方法能在有限程度上反映荷
13、载的动力特性，但不能反映各种材料自身的动力特性以及结构物之间的动力响应，更不能反映结构物之间的动力耦合关系。但是，拟静力法的优点也很突出，它物理概念清晰，与全面考虑结构物动力相互作用的分析方法相比，计算方法较为简单，计算工作量很小、参数易于确定，并积累了丰富的使用经验，易于设计工程师所接受。但是，应该严格限定拟静力法的使用范围：它不能用于地震时土体刚度有明显降低或者产生液化的场合，而且只适用于设计加速度较小、动力相互作用不甚突出的结构抗震设计。为了克服拟静力法的上述缺陷，一些学者发展了可以部分地反映土体与结构物之间的动力耦合关系的所谓拟动力分析法。迄今为止，已经发展了不少考虑土体-结构物动力相
14、互作用的分析方法，例如子结构法、有限元法、杂交法等。第五章展望 鉴于地震灾害对自然及人类社会的巨大危害，隔震减灾的任务就显得尤为重要。5.1 基础隔震技术的早期阶段 基础隔震概念最早是由日本学者河合浩藏于1981年提出的，认为先在地基上纵横交错放置几层圆木，圆木上做混凝土基础，再在混凝土基础上盖房，以削弱地震传递的能量 1909年，美国的J.A.卡兰特伦茨提出了另外一种隔震方案，即在基础与上部建筑物之间铺一层滑石或云母，这样地震时建筑物会发生滑动，以达到隔离地震的目的 1921年，美国工程师FL莱特在设计日本东京帝国饭店时，有意用密集的短桩穿过表层硬土，直接插到软泥土层底部，利用软泥土层作为隔
15、震层1923年关东大地震发生，附近同类建筑毁坏严重，但这个建筑却保持完好 1924年，日本的鬼头健三郎提出了在建筑物的柱脚与基础之间插入轴承的隔震方案1927年，日本的中村太郎论述了加装阻尼器吸能装置，在隔震理论方面进行了有益的探索 在这一阶段，虽然有了清晰的隔震概念和一定的隔震理论基础，但限于当时的水平与条件，基础隔震技术的应用未被很好地研究与开发。5.2 基础隔震技术的现代阶段 随着地震工程理论的逐步建立以及实际地震对结构工程的进一步考验，特别是近二三十年来，由于采用大量的强震记录仪对地震进行观测，使人们较快地积累了有关隔震及非隔震结构工作性能的定量化经验，从而对早期提出的一些隔震方法进行了淘汰与升华其中叠层橡胶垫基础隔震体系被认为是隔震技术迈向实用化最卓有成效的体系。 1984年新西兰建造了世界上第一幢以铅芯叠层橡胶垫作为隔震元件的4层建筑物1985年美国建成第一座4层的叠层橡胶垫隔震大楼加州?圣丁司法事务中心1986年日本又建成一幢5层高技术中心楼，采用铅芯橡胶垫目前，世界上大约有30多个国家在开展这方面的研究，这项技术已被应用在桥梁、建筑，甚至是核设施上截止目前，世界上大约已建成了3100多幢基础隔震建筑，其中80%以上采用的是叠层橡胶垫隔震系统。 80年代以来，基础隔震研究开始在我国得到重视，国内不少学者对国际上流行的基础隔震体系进行了
