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1、3.13.1 概述概述概述概述 地震作用地震作用 结构的地震反应结构的地震反应 结构、构件的地震作用效应结构、构件的地震作用效应第三章第三章 地震作用和结构抗震验算地震作用和结构抗震验算 地震作用地震作用和和结构抗震验算结构抗震验算是建筑抗震设计的重要环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。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：法是不同的
2、：(1) (1) 底部剪力法底部剪力法(2(2）振型分解反应谱法）振型分解反应谱法（3 3）时程分析法）时程分析法（4 4）静力弹塑性方法）静力弹塑性方法地震作用和结构抗震验算课件地震作用的概念和特点地震作用的概念和特点地震作用：地震作用： 地地震震释释放放的的能能量量，以以地地震震波波的的形形式式向向四四周周扩扩散散，地地震震波波到到达达地地面面后后引引起起地地面面运运动动，使使地地面面原原来来处处于于静静止止的的建建筑筑物物受受到到动动力力作作用用而而产产生生强强烈烈振振动动。在在振振动动过过程程中中作作用用在在结结构上的惯性力就是地震作用。构上的惯性力就是地震作用。( (以前称为地震荷载
3、以前称为地震荷载) ) （1 11 1）不是直接作用在结构上，属于间接作用；）不是直接作用在结构上，属于间接作用；）不是直接作用在结构上，属于间接作用；）不是直接作用在结构上，属于间接作用； （2 22 2）不不不不仅仅仅仅取取取取决决决决于于于于地地地地震震震震烈烈烈烈度度度度、设设设设计计计计地地地地震震震震分分分分组组组组和和和和场场场场地地地地类类类类别别别别等等等等地地地地震震震震特特特特性性性性，还还还还与与与与结结结结构构构构的的的的动动动动力力力力特特特特性性性性（自自自自振振振振周周周周期期期期、阻阻阻阻尼尼尼尼等等等等）密切相关。密切相关。密切相关。密切相关。特特 点？点？
4、地震作用和结构抗震验算课件结构抗震理论的发展过程结构抗震理论的发展过程静力理论阶段静力理论阶段 反应谱理论阶段反应谱理论阶段 动力理论阶段动力理论阶段 基于性态的抗震设计理论基于性态的抗震设计理论 -Performance-based seismic design地震作用和结构抗震验算课件二、与各类型结构相应的地震作用分析方法二、与各类型结构相应的地震作用分析方法不超过不超过40m的规则结构：底部剪力法的规则结构：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：考虑扭转或双向质量和刚度分布明显不对称结构：考虑扭转或双
5、向地震作用的振型分解反应谱法地震作用的振型分解反应谱法 8、9度时的大跨、长悬臂结构和度时的大跨、长悬臂结构和9度的高层建筑：考度的高层建筑：考虑竖向地震作用虑竖向地震作用 特别不规则、甲类和超过规定范围的高层建筑：一特别不规则、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维或二维时程分析法的补充计算地震作用和结构抗震验算课件3.2 3.2 单自由度弹性体系的地震反应分析单自由度弹性体系的地震反应分析一、地震作用下单自由度体系的运动方程一、地震作用下单自由度体系的运动方程质点位移质点位移质点加速度质点加速度惯性力惯性力弹性恢复力弹性恢复力阻尼力阻尼力运动方程运动方程方程建立方程
6、建立达朗贝尔原理达朗贝尔原理地震作用和结构抗震验算课件二、单自由度体系动力学分析二、单自由度体系动力学分析1.1.单自由度体系自由振动单自由度体系自由振动（1 1）无阻尼时）无阻尼时时时（2 2）有阻尼时）有阻尼时地震作用和结构抗震验算课件m m 将将荷荷载载看看成成是是连连续续作作用用的的一一系系列列冲冲量量，求求出每个冲量引起的位移后将这些位移相加即出每个冲量引起的位移后将这些位移相加即为动荷载引起的位移。为动荷载引起的位移。2.2.单自由度体系受迫振动单自由度体系受迫振动-冲量法冲量法地震作用和结构抗震验算课件m（1 1）瞬时冲量的反应瞬时冲量的反应a.t=0 a.t=0 时作用瞬时冲量
7、时作用瞬时冲量mb.b. 时刻作用瞬时冲量时刻作用瞬时冲量动量定理动量定理地震作用和结构抗震验算课件(2).(2).动荷载的位移反应动荷载的位移反应m-杜哈美（杜哈美（Duhamel）积分）积分计阻尼时计阻尼时若若t=0 时体系有初位移、初速度时体系有初位移、初速度b.b. 时刻作用瞬时冲量时刻作用瞬时冲量地震作用和结构抗震验算课件三、单自由度体系地震作用分析三、单自由度体系地震作用分析运动方程运动方程或或其中其中由由Duhamel积分，可得积分，可得零初始条件零初始条件下质点相对于地面的位移为下质点相对于地面的位移为最大位最大位移反应移反应地震作用和结构抗震验算课件质点相对于地面的速度为质点
8、相对于地面的速度为质点的绝对加速度为质点的绝对加速度为地震作用和结构抗震验算课件求求质点速度和加速度反应的最大值质点速度和加速度反应的最大值在求最大值的过程中，作如下的三点简化在求最大值的过程中，作如下的三点简化（1）由于阻尼比）由于阻尼比 很小，因此可以忽略上式中很小，因此可以忽略上式中 和和 2项；项；（2） d与与 很相近，所以可以取很相近，所以可以取 d ；（3）用）用sin (t- )取代取代cos (t- )，作这样的处理不影响上，作这样的处理不影响上述两式的最大值，只是相位上相乘述两式的最大值，只是相位上相乘 /2。质点相对于地面的最大速度反应为质点相对于地面的最大速度反应为质点
9、相对于地面的最大加速度反应为质点相对于地面的最大加速度反应为地震作用和结构抗震验算课件最大相对速度最大相对速度最大加速度最大加速度最大相对位移最大相对位移最大反应之间的关系最大反应之间的关系 求得了单自由度体系在地震动作用下的最大反应以后，下一步将引出地震工程领域内的核心概念“反应谱”？地震作用和结构抗震验算课件地震反应谱(response spectrum)地震作用和结构抗震验算课件TT11TTiiSyT T反应谱？反应谱？ 单单自自由由度度体体系系在在给给定定地地震震动动作作用用下下某某种种反反应应量量的的最最大大值值与与体体系系自自振振周周期期之之间间的的关关系曲线系曲线地震作用和结构抗
10、震验算课件相对位移反应谱相对位移反应谱Elcentro 1940 （N-S） 地震记录地地震震动动简简介介地震作用和结构抗震验算课件相对速度反应谱相对速度反应谱Elcentro 1940 （N-S） 地震记录地震作用和结构抗震验算课件绝对加速度反应谱绝对加速度反应谱Elcentro 1940 （N-S） 地震记录地震作用和结构抗震验算课件标准化加速度反应谱-动力系数（或标准化加速度反应谱）动力系数（或标准化加速度反应谱）地震作用和结构抗震验算课件阻尼比阻尼比阻尼比越大，反应越小，曲线越平滑阻尼比越大，反应越小，曲线越平滑结构周期结构周期对于加速度反应谱，当结构周期小于某个值时幅值对于加速度反应
11、谱，当结构周期小于某个值时幅值随周期急剧增大，大于某个值时，快速下降。随周期急剧增大，大于某个值时，快速下降。加速度反应谱的性质（结构方面）加速度反应谱的性质（结构方面）地震作用和结构抗震验算课件震级震级震级越大，长周期成分越丰富，反应谱峰点周期越后移震级越大，长周期成分越丰富，反应谱峰点周期越后移震中距震中距震中距越大，长周期成分越丰富，反应谱峰点周期越后移震中距越大，长周期成分越丰富，反应谱峰点周期越后移场地场地场地越软，反应谱峰点周期越后移场地越软，反应谱峰点周期越后移加速度反应谱的性质（地震动方面）加速度反应谱的性质（地震动方面）地震作用和结构抗震验算课件1.由由于于地地震震动动是是一
12、一个个非非常常复复杂杂的的随随机机过过程程，不不能能用用确确定定性性的的函函数数表表示示，因因此此在在计计算算反反应应谱谱时时，通通常常对对运运动方程直接积分得到！动方程直接积分得到！2.目目前前应应用用的的抗抗震震设设计计方方法法是是基基于于力力的的抗抗震震设设计计，加加速速度度反反应应谱谱是是基基于于力力的的抗抗震震设设计计的的基基础础，因因此此后后面面将主要介绍加速度反应谱。将主要介绍加速度反应谱。3.在在代代表表未未来来抗抗震震设设计计理理论论发发展展方方向向的的抗抗震震理理论论基基于于性性态态的的抗抗震震设设计计理理论论（Performance-based seismic desig
13、n）中中，速速度度和和位位移移反反应应谱谱将将起起到到至至关关重要的作用！重要的作用！几个说明几个说明地震作用和结构抗震验算课件3.3 3.3 单自由度弹性体系的水平地震作用单自由度弹性体系的水平地震作用一、单自由度体系的水平地震作用一、单自由度体系的水平地震作用结构在地震作用下作用力的最大地震作用为结构在地震作用下作用力的最大地震作用为-集中于质点处的重力荷载代表值；集中于质点处的重力荷载代表值；-重力加速度重力加速度-动力系数动力系数-地震系数地震系数-地震影响系数地震影响系数地震作用和结构抗震验算课件地震系数地震系数k 地地震震系系数数与与地地震震烈烈度度有有关关，与与结结构构的的性性能
14、能无无关关。如如果果已已知知地地震震时时在在某某处处的的地地震震动动记记录录的的峰峰值值加加速速度度；如如果果同同时时根根据据该该处处的的地地表表破破坏坏现现象象、建建筑筑的的损损坏坏程程度度等等，按按地地震震烈烈度度评评定定该该处处的的宏宏观观烈烈度度I，就就可可提提供供它它们们之之间间的的一一个个对对应应关关系系，就就可可以以确确定定出出Ik的的对对应应关关系系（见见下下表表），统统计计分分析析研研究究表表明明，烈烈度度每每增增加加一一度度，地震系数地震系数k的值约增加一倍的值约增加一倍。-地震系数地震系数设防烈度I6789地震系数k0.050.10（0.15）0.20（0.30）0.40
15、地震作用和结构抗震验算课件放放大大系系数数 与与周周期期的的曲曲线线关关系系 T，与与建建筑筑场场地地类类别别、震震级级、震震中中距距等等因因素素密密切切相相关关，通通过过大大量量的的分分析析计计算算，我我国国抗抗震震规规范中将最大动力放大系数范中将最大动力放大系数 max2.25 水水平平地地震震影影响响系系数数 是是地地震震系系数数k k与与动动力力系系数数 的的乘乘积积，当当基基本本烈烈度度确确定定后后，地地震震系系数数k k为为常常数数。 仅仅随随 值值而而变变化化。所以，水平地震影响系数最大值所以，水平地震影响系数最大值 抗震规范中是以水平地震影响系数作为抗震设计依抗震规范中是以水平
16、地震影响系数作为抗震设计依据的，其数值应根据烈度、场地类别、设计地震分组以据的，其数值应根据烈度、场地类别、设计地震分组以及结构自振周期和阻尼比确定。及结构自振周期和阻尼比确定。放大系数放大系数 标准反应谱标准反应谱地震影响系数地震影响系数 地震作用和结构抗震验算课件二、二、抗震设计反应谱抗震设计反应谱 根根据据同同一一类类场场地地上上所所得得到到的的地地面面运运动动加加速速度度记记录录分分别别计计算算出出它它的的反反应应谱谱曲曲线线，然然后后将将这这些些谱谱曲曲线线进进行行统统计计分分析析，求求出出其其中中最最有有代代表表性性的的平平均均反反应应谱谱曲曲线线然然后后结结合合经经验验判判断断确
17、确定定，通常称这样的谱曲线为抗震设计反应谱！（讨论）通常称这样的谱曲线为抗震设计反应谱！（讨论） 地震作用和结构抗震验算课件-地震影响系数；地震影响系数；-地震影响系数最地震影响系数最 大值；大值；地震影响系数最大值（阻尼比为地震影响系数最大值（阻尼比为0.050.05）1.401.400.90(1.200.90(1.20) )0.50(0.720.50(0.72) )-罕遇地震罕遇地震0.320.320.16(0.240.16(0.24) )0.08(0.120.08(0.12) )0.040.04多遇地震多遇地震 9 9 8 8 7 7 6 6地震影响地震影响烈度烈度括号数字分别对应于设计
18、基本加速度括号数字分别对应于设计基本加速度0.15g和和0.30g地区的地震影响系数地区的地震影响系数-结构周期结构周期地震作用和结构抗震验算课件-特征周期；特征周期；地震特征周期分组的特征周期值（地震特征周期分组的特征周期值（s s）0.90 0.65 0.450.35第三组第三组0.75 0.55 0.400.30第二组第二组0.65 0.45 0.35 0.25第一组第一组 场地类别场地类别-曲线下降段的衰减指数；曲线下降段的衰减指数；-直线下降段的斜率调整直线下降段的斜率调整系数；系数；-阻尼调整系数，小于阻尼调整系数，小于 0.55时，应取时，应取0.55。地震作用和结构抗震验算课件
19、解：解：（1 1）求结构体系的自振周期）求结构体系的自振周期（2 2）求水平地震影响系数）求水平地震影响系数查表确定查表确定地震影响系数最大值（阻尼比为地震影响系数最大值（阻尼比为0.050.05）1.400.90(1.20)0.50(0.72)-罕遇地震罕遇地震0.320.16(0.24)0.08(0.12)0.04多遇地震多遇地震 9 8 7 6地震影响地震影响烈度烈度例例：单单层层单单跨跨框框架架。屋屋盖盖刚刚度度为为无无穷穷大大，质质量量集集中中于于屋屋盖盖处处。已已知知设设防防烈烈度度为为8度度，设设计计地地震震分分组组为为二二组组，类类场场地地；屋屋盖盖处处的的重重力力荷荷载载代代
20、表表值值G=700kN，框框架架柱柱线线刚刚度度 阻阻尼尼比比为为0.05。试试求求该该结结构构多多遇遇地地震时的水平地震作用。震时的水平地震作用。 h=5mh=5m地震作用和结构抗震验算课件查表确定查表确定解：解：例例：单单层层单单跨跨框框架架。屋屋盖盖刚刚度度为为无无穷穷大大，质质量量集集中中于于屋屋盖盖处处。已已知知设设防防烈烈度度为为8 8度度，设设计计地地震震分分组组为为二二组组，类类场场 地地 ； 屋屋 盖盖 处处 的的 重重 力力 荷荷 载载 代代 表表 值值 G=700kNG=700kN， 框框 架架 柱柱 线线 刚刚 度度 , ,阻尼比为阻尼比为0.050.05。试求该结构多
21、遇地震时的水平地震作用。试求该结构多遇地震时的水平地震作用。 （1 1）求结构体系的自振周期）求结构体系的自振周期（2 2）求水平地震影响系数）求水平地震影响系数h=5mh=5m查表确定查表确定地震特征周期分组的特征周期值（地震特征周期分组的特征周期值（s s）0.90 0.65 0.450.35第三组第三组0.75 0.55 0.400.30第二组第二组0.65 0.45 0.35 0.25第一组第一组 场地类别场地类别地震作用和结构抗震验算课件解：解：例例：单单层层单单跨跨框框架架。屋屋盖盖刚刚度度为为无无穷穷大大，质质量量集集中中于于屋屋盖盖处处。已已知知设设防防烈烈度度为为8度度，设设
22、计计地地震震分分组组为为二二组组，类类场场地地；屋屋盖盖处处的的重重力力荷荷载载代代表表值值G=700kN，框框架架柱柱线线刚刚度度 ,阻阻尼尼比比为为0.05。试试求求该该结结构构多多遇遇地地震震时时的的水平地震作用。水平地震作用。 （1 1）求结构体系的自振周期）求结构体系的自振周期（2 2）求水平地震影响系数）求水平地震影响系数h=5mh=5m（3 3）计算结构水平地震作用）计算结构水平地震作用地震作用和结构抗震验算课件三三、重力荷载代表值的确定、重力荷载代表值的确定 结构的重力荷载代表值等于结构和构配件自重标准结构的重力荷载代表值等于结构和构配件自重标准值值G Gk k加上各可变荷载组合值。加上各可变荷载组合值。-第第i i个可变荷载标准值个可变荷载标准值；-第第i i个可变荷载的组合值系数个可变荷载的组合值系数； 不考虑不考虑 软钩吊车软钩吊车 0.3 硬钩吊车硬钩吊车 0.5 其它民用建筑其它民用建筑 0.8 藏书库、档案库藏书库、档案库 1.0按实际情况考虑的楼面活荷载按实际情况考虑的楼面活荷载 不考虑不考虑 屋面活荷载屋面活荷载 0.5屋面积灰荷载屋面积灰荷载 0.5 雪荷载雪荷载组合值系数组合值系数可变荷载种类可变荷载种类按等效均布荷载考虑按等效均布荷载考虑的楼面活荷载的楼面活荷载吊车悬吊物重力吊车悬吊物重力组合值系数组合值系数地震作用和结构抗震验算课件
