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1、建筑结构多维地震作用研究综述摘要：在本文中，首先对多维地震动的输入问题进行讨论.然后是关于结构多维地震反应分析方法的讨论，其次是对常见几种结构形式在多维地震作用下的反应进行分析，再次介绍一种多维地震作用下结构的抗震计算组合方法，最后本文提出一些多维地震研究中的问题以及对今后研究课题的展望。由三种不同节点的研究现状与进展可发现目前的研究中仍存在一些不完善方面或亟待解决的问题，本文据此提出一些建议，以便今后研究与应用中能够采纳。关键词：组合结构；抗震性能；RCS组合节点；钢骨混凝土节点；钢管混凝土组合节点Research Review on Seismic Performance of Compo
2、site Structure JointsLi Shu（College of Civil Engineering and Architecture， Wuhan University of Technology， Wuhan， Hubei 430070）Abstract: As a new kind of structure， composite structure has been widely applied in engineering and researched in depth gradually. Since composite structure joints are key
3、part of the whole structure system， the performance of which has become an issue concentrated on by researchers and designers. Composite structure joints applied in reality comprise composite joints of RCS， joints of concrete-filled steel tube and composite joints of SRC. The paper focuses on the fe
4、atures and behavior of these three kinds of joints at present and summarizes their development situations. In addition， loading features and seismic performance of composite structure joints are analyzed by synthesis through the recent researches of scholars in China and abroad. There are still inco
5、mplete parts and burning questions found through researches and developments， therefore， the paper offers some proposals which can be adopted in researches and applications in future.Key words: Composite structure; Seismic performance; Composite joints of RCS；Joints of concrete-filled steel tube；Com
6、posite joints of SRC1.引言 地震动是多维的，即一点的地震动有六个分量：三个平动分量和三个转动分量。对于一般的建筑，人们趋向于只考虑单向水平地震动作用， 在单维地震作用研究方面已形成了比较完善的理论、建立了一套有效的抗震设计方法，并已体现在各国抗震规范中。然而，理论研究与震害经验表明，地震时的地面运动是一复杂的多维运动，包括平动分量和转动分量，结构在单维与多维地震作用下的反应是不同的，特别是对一些复杂工程结构(如大型水坝、海洋平台、核电站、大跨度及空间结构等)在结构抗震分析时只考虑单分量地震作用是不够的，还应考虑多分量地震作用对结构的影响。 结构抗震设计理论由4部分组成，即
7、地震动输入、结构模型化、结构反应分析及结构抗震设计原则。地震动输入在结构抗震设计理论中占有重要地位，它对设计的最终结果起着重要的控制作用。而地震动，特别是多维地震动是相当复杂的，人们对其还没有深入的认识，本文只从多维地震动转动分量和多维地展动随机模型及相关性的研究方面予以讨论。对于结构的模型化理论(如有限元分析模型等)，单维与多维的差别不大，因此文中不予讨论。本文中介绍了结构在多维地震作用下的几种反应分析方法,包括多维抗震分析的反应谱方法、多维抗震分析的时程法、和多维抗震分析的随机方法，对常见几种结构形式在多维地震作用下的反应进行简单分析。结构多维抗震设计原则目前还未能形成统一规范，本文仅介绍
8、一种多维地震作用下抗震计算组合方法，该方法假定地震地面运动为平稳随机过程，考虑了地震动分量间的空间相关性，用随机过程理论建立了多维地震动作用下结构反应的反应谱组合方法，导出多维地震动输入下振型相关系数的解析公式.在此基础上，给出了双向地震动作用下的相应公式.数值结果表明，这种方法具有较高的精度。最后,对研究中存在的问题及今后的研究方向做出展望。 2.多维地震输入地震动输入在结构抗震设计理论中占有重要地位，它对设计的最终结果起着重要的控制作用。而地震动，特别是多维地震动是相当复杂的，人们对其还没有深入的认识，本文只从多维地震动转动分量和多维地展动随机模型及相关性的研究方面予以讨论。2.1多维地震
9、动转动分量的研究 严格说来,地震动有6维分量：3个平动分量和3个转动分量,但迄今在地震观测中,大多获得的是3维平动分量,这主要是由于对测量转动分量的强震仪的研究并未取得突破。转动分量可通过震害表现出来；另外由弹性波动理论可知,Love波产生地面绕水平轴的转动,Rayleigh波产生地面绕竖直轴的转动131。理论分析及震害研究表明,转动分量对结构的作用有时是很明显的2.5.8,特别是对非对称建筑结构边角部位的破坏。刘季l3建立了结构在6维地震动非惯性系统中多自由度体系的运动方程,指出由于考虑了地震动的转动分量,而使运动方程中产生了柯氏耦合项及与转动分量有关的耦合项,结构地震反应分析不能分解为各地
10、震动分量单独作用下求解结果的叠加,而且柯氏耦合矩阵与振型矩阵不正交,振型分解法也不再适用。由此可见,在考虑转动分量后,问题复杂了很多。由于缺乏可实际应用的地震动转动分量的观测资料,各国学者除致力于对转动分量的强震观测外,主要从理论方面对转动分量进行了探讨。 (1)弹性波理论法 采用弹性波理论人工合成地震动转动分量来研究对结构反应的影响,主要分为行波法和频域法l2。1969年Newmark7首次采用行波法研究地面扭转分量。采用行波法求转动分量包含两个假定I2：(l)波速为常数;(2)沿传播路径上任意两点的波完全相干。实际上波速是频率的函数,且相邻两点地面震动存在部分相关性,但由于这种方法简便易行
11、,所以得到了较多应用。 从地震记录图中来看,地震动不是简单的谐和振动,而是复杂的随机振动。但对于给定的地震动图而言,总可以把它看作是由许多不同频率的简谐波组合而成。基于这种思想,有些学者应用弹性半空间理论来估计地震动的转动分量2.9(频域法)。这种理论认为地震波的传播介质是均匀弹性或水平成层的弹性体,入射到自由表面的波是体波或面波。Gupta和Trifunac10,李宏男9.11,孙士军和陈国兴12,王君杰l3等在对地面转动分量进行研究时均采用了频域法,并考虑了地震波入射时视波速的频散效应。频域法不再把平动分量看成是定型波,这是频域法取得的进步。 (2)两点差法 另一种得到转动分量的方法为两点
12、差法2。其原理为若得到相邻两点地震动平动观测值,且两点间距远小于波长时,可利用两点同向观测值相减,再除以两点间距,即可得到转动分量的粗略估计值 (1)上式中，分别为A,B两点的平动分量观测值; 为转动分量观测值；x为A，B两点间距。若平动观测值为水平分量,则得到地面扭转分量；若平动观测值为竖向分量,则得到地面摇摆分量。2.2多维地震动随机模型及相关性研究多维地震动随机模型是在单维模型的基础上再考虑各分量间的相关性而得到。地震动具有很强的随机性,研究地震动随机模型是应用随机振动理论研究结构随机地震反应的基础。单维分量作用下地震动随机模型的研究现在已取得了不少进展l4,lM,并已得到了工程应用,如
13、平稳模型中的白噪声模型、过滤白噪声模型,卜平稳模型中的均匀调制过程、演变过程等等。2.2.1单维地震动随机模型简介 (l)平稳模型 最早用于模拟随机地震动的模型为白噪声模型,这种模型假定地震动过程的频率分布是均匀的,这与实际的地震动记录有较大差异。为此Kanai-Tajimi提出了过滤白噪声模型16。过滤白噪声模型物理清楚,同时考虑了地基土特性的影响,被工程界广为使用。但上述模型有其缺陷,如不能反映基岩地震动的频谱特性、过分夸大了低频地震动的能量,由其导出的速度功率谱在频率等于零处出现明显的奇异点,并且不能求出地面运动的速度、位移和加加速度(加速度过程的导数)的有限值。因此,许多学者对其提出了
14、修正,主要有两类:第一类是修改基岩输入,如欧进萍等12.18假设基岩输入为马尔柯夫谱,提出了一种改进的地震动随机模型平稳过滤有色噪声模型。第二类是修改线性滤波器,主要思路是对低频部分进行修正,而高频部分尽量不变。目前对地震动转动模型的研究尚不成熟,需要有效获取地震动的转动分量记录后进行验证。 (2)非平稳模型 强度非平稳模型(均匀调制过程)是非平稳模型中最简单的一种,它在平稳模型的基础上引人了一个随时间变化的强度包络函数,得到如下的非平稳化随机过程模型1Y(t)=f(t)X(t) (2)式中,X(t)为平稳随机过程; f(t)是强度包络函数。f(t)的取法主要有两类,一类是单峰状的连续函数曲线
15、,多用于研究中;另一类是有上升,平稳和衰减的分段函数曲线,多用在工程中。 分段型强度包络函数可表为如下形式24 (3) 式中,c为衰减系数;,和分别为上升段末段时间、平稳段末段时间和地震动总持时。 连续型强度包络函数主要有以下几种形式:第1种20.25 (4)第2种26 (5)第3种27 (6)第4种28.29 (7) 式(2)给出的模型简单实用,可较好地用于一般结构分析,但当研究非线性结构的地震反应时,地震动过程频率含量的非平稳性不容忽略,应采用强度和频率非平稳模型(演变过程)15。2.2.2多维地震分量的相关性 在单分量模型的基础上,考虑各分量间的相关性,即可得到多维地震动模型。在相关性研究中,主轴模型
