第43卷第3期2003年5月
大连理工大学学报
Jour nal of Dalian University of Technology
Vol .43,No .3May 2003
文章编号:1000-8608(2003)03-0344-05
收稿日期:2002-04-01; 修回日期:2003-03-25.
基金项目:国家自然科学基金资助项目(50209002);辽宁省自然科学基金资助项目(20022130).
作者简介:陈健云*(1968-),男,副教授;林 皋(1929-),男,教授,博士生导师,中国科学院院士.
大型地下结构三维地震响应特点研究
陈健云*, 胡志强, 林 皋
(大连理工大学土木水利学院,辽宁大连 116024)
摘要:采用阻尼影响抽取法分析了地下结构无限围岩介质的动刚度特性,建立了岩石地下
结构抗震分析的实用相互作用分析时域模型,比较研究了地下结构-围岩动力相互作用分析中地震动输入机制、无限围岩动刚度及结构特性等各种主要因素对地下结构地震响应的影响程度.指出几种常用地下结构地震响应近似分析方法只在一定条件下适用,无限介质的阻尼特性对结构响应起着重要的作用.
关键词:地下洞室;地震反应分析;动刚度;优化;阻尼影响抽取法中图分类号:T U 35;TU 9;TV3
文献标识码:A
0 引 言
随着国民经济的发展,地下空间得到了越来越广泛的使用.然而近几年世界范围内发生了一
系列大地震,造成了巨大的灾难,不少地下结构遭受破坏.由于与围岩的相互作用,地下结构的动力特性十分复杂,其响应特点与地面结构有明显的差别.研究表明[1]
,对地下结构采用施加惯性力的地震响应分析,即使采用几倍于结构尺寸的地基离散模型,施加不同的边界条件对地震位移响应的影响可达10倍,应力差别达5～6倍.
目前各种实际地下结构的动力响应分析仍以各种近似方法为主.包括各种拟静力方法,如位
移响应法[2、3]
,地基影响参数通常根据简化假定采
用经验参数.动力近似分析通常将结构简化为二维问题处理[4],对于地下管线等结构形式具有一定的适用性.对于处于比较复杂地质、地形条件下的地下结构,或者形式较复杂的大型地下空间结构,要合理地反映地下结构的地震响应,则必须进行三维动力响应分析.
当前常用的地下结构三维地震分析方法,主要有在模型外边界施加各种人工透射边界解决能量向无限远处辐射[5]的波动分析方法;以地下结构为主体,围岩的作用通过相互作用力来求解的相互作用分析方法[6]
,通常采用有限元、边界元、
解析法或半解析法等耦合求解;以及在外边界施
加粘性阻尼器的惯性力方法.前两种方法属于较精确的数值方法,后一种方法则为近似方法.
由于围岩介质对结构的动力影响在时间与空
间都是耦合的,较精确的地下结构地震响应分析具有一定难度,时域求解复杂且求解代价很大.
本文采用相互作用分析方法,结合溪洛渡超
大型地下洞室群的地震响应分析,研究动力相互
作用运动方程中各主要因素对地下结构地震响应的影响程度,为地下结构的简化分析提供依据.
1 地下结构地震响应的相互作用分
析方法
地下结构的相互作用分析主要采用各种耦合
方法,如有限元与边界元的耦合分析.本文则采
用阻尼影响抽取法得到地基刚度与有限元进行耦合分析.
1.1 阻尼影响抽取法的基本概念
[7]
将无限地基截取有限区域,其刚度阵为S t
(X )=K -X 2
M (1)
式中:K 和M 分别为有限域的刚度阵与质量阵. 引入量纲一的频率a 0=X ?r 0/c s 及刚度阵K
与质量阵M ,则式(1)可表达为
S t (X )=Gr s -2
0(K -a 20M )=Gr s -2
0S (a 0)
(2)
式中:S (a 0)为量纲一的动刚度;G 为介质剪切模量;r 0为选定的特征长度;三维问题s = 3.
则围岩边界的动刚度S (X )可从S t (X )中消去其他自由度的部分而求得.
在有限域内引入人工高阻尼F 后,有限域有阻尼动刚度为
S F (X )=G *
r s -2
0S (a *
0)
(3)
式中:G *
=G (1+2i F );a *
0=X ?r 0/c *
s ;c *
s =c s /1+2i F .
引入阻尼后使边界反射波在到达结构前被消耗掉.从而结构界面上的运动将主要取决于外行波动.则按高阻尼有限域求出的结构界面上动刚度可逼近无限域的动刚度,即
S ∞(a *0)=S (a *
0)
(4)进一步从高阻尼有限域的动刚度中将施加的人工阻尼影响抽去,将量纲一的刚度换算为无限域实际动刚度,可得无限域的动刚度
S ∞
(X )=G G *S F (X )+S F (X ),X a 0-a *
a *0,X
(5)
1.2 地下结构地震响应动力相互作用分析模型
地下结构与围岩的动力相互作用模型如图1
所示,其运动方程可写为[8、
9]
S ii S ib S bi
S s
bb +S ∞
u t
i u t b
=
0S ∞u g b
(6)
式中:u t b 表示地下结构与围岩接触界面位移,u t i 表示地下结构非接触节点位移,u g b 表示地震动输入.
图1 地下结构的动力相互作用模型
F ig.1 Dynam ic interaction model for under gr ound
caver ns
通过式(5)对溪洛渡地下厂房所处地质条件围岩的动力刚度特性分析表明,在有意义的工程应用频率范围内,动刚度矩阵S ∞
的实部和虚部随频率的变化可以用抛物线和直线进行模拟:
Re S g bb (X )=K 0-X 2M 0Im S g
bb
(X )=i X C 0
(7)
式中:M 0、K 0和C 0可等价于施加于地下结构边界面上的质量、刚度与阻尼矩阵,由于它们不随频率
而变化,可给时域分析带来很大的方便.将式(7)代入式(6),并进行傅氏反变换,可
得地下结构-围岩动力相互作用公式:M ii
M bb +M 0
u ??t i
u ??t b
+C ii C ib C bi
C bb +C 0
u ?t i
u ?t
b
+
K ii
K ib
K bi K b b +K 0
u t i u t
b
=
0
K 0u g b +C 0u ?
g b +M 0u ??
g
b
(8)
式(8)即地下结构地震响应的相互作用分析公式,对于岩石地下结构,上式物理意义明确,计
算简便、精度高、实用性强.
2 地下结构地震响应运动方程
围岩无限介质对地下结构地震响应的影响表
现为边界上的作用力.为充分研究地下结构地震响应中各种因素对地下结构地震响应的影响程
度,将式(8)分解为如下形式:
Mu ??
t 1+Cu ?
t o+Ku t ?+M 0u ??
t b ?+C 0u ?
t b ?+K 0u t b ?=M 0u ??
g b ?+C 0u ?
g b à+K 0u g b
á
(9)
其中,方程左端前3项分别表示考虑结构的惯性
力、结构阻尼作用和弹性抗力作用;后3项分别表
示考虑边界围岩的惯性力、结构阻尼作用和弹性
抗力作用;方程右端为外界输入,分别表示边界惯性力(加速度输入)、边界阻尼力(速度输入)及边
界弹性力(位移输入).为做进一步的比较研究,同时采用惯性力法
进行以下两种情况的计算.
Mu ??
t 1+Cu ?
t o+Ku t ?=-Mu ??
g
b ○
10
(10)
按上式计算时,外边界采用固定约束条件.
Mu ??t
1+Cu ?t
o+Ku t
?+C 1u ?t
b ?′
=-Mu ??g
b ○
10
(11)
式中:C 1为边界上施加的粘性阻尼,法向和切向单位面积上的阻尼分别为C p =Q c *p 和C s =Q c *s .c *
s 和c *
p 分别为剪切和膨胀波速.
在地下结构的地震响应中,关于哪种因素起
主要作用有各种认识.譬如拟静力法就是认为可
以忽略结构惯性.因此,本文针对构成(9)、(10)、(11)3个方程的10个主要因素分别对比式(8)进
行比较研究.具体计算组成工况见表1所示.
345
第3期
陈健云等:大型地下结构三维地震响应特点研究
表1 各种计算工况表
T ab.1 Different computat ion conditions
工况1o????′??àá○10
1●●●●●○●●○○○2●●●●●○●○●○○3●●●●●○●○○●○4○●●●●○●●●●○5●●●○●○●●●●○6●○●●●○●●●●○7●●●●○○●●●●○8●●●●●○○●●●○9●●●○○○○○○○●10●●●○○●○○○○● 注:●表示方程中包含的因素;○表示方程中不包含的因素
3 计算结果分析
3.1 模型参数及地震动输入
模型参数选取:岩体物理模型采用正交异性
线弹性模型;衬砌混凝土标号取为C30,采用各向
同性线弹性模型,参数按《现行建筑结构规范大
全》选取.具体参见表2.
表2 围岩及结构衬砌模型参数
Tab.2 M aterial pa rameter s of surr ounding r ock and
str uct ur e lining
参数
E/GPa
水平 垂直
M Q/(kg?m-3)
围岩20 150.202850
衬砌300.172400
有限元模型:对洞室群进行三维有限元离散.洞室结构群主要有:主厂房,主变洞及尾水洞.离散范围为沿水流方向X轴长400m,高400m;沿厂房纵轴方向Y轴长78m.
地震波选用溪洛渡场地波,如图2所示.水平加速度为0.18g,竖向加速度取水平加速度的1/
3.
图2 地震波加速度时程
F ig. T ime domain of ear thquake acceler ation
3.2 计算结果分析
按相互作用公式(8)计算的洞室群应力分布
结果见图3.主厂房和尾水洞拱顶应力见表3.其
余各种工况计算结果见图4,并与图3计算结果进
行比较研究
.
图3 精确的洞室群应力(公式(8))
F ig.3 Accura te st ress distribution of gr oup caverns
表3 各种工况下主应力最大值分布
Tab.3 Maximum main str esses in t otal tim e histor y MP a 工况1工况2工况3工况4工况5工况6工况7工况8工况9工况10公式(8)
调压井拱顶处0.24 1.240.1730.28 1.36 1.62 2.13 1.10 1.64 4.08 1.34
主厂房拱顶处0.160.840.0510.140.92 1.10 2.49 1.63 1.10 5.020.90
本文将式(8)的计算结果作为地下洞室动力响应的精确数值结果.则工况1～3研究的是相互作用边界地震动输入的影响,分别为地震动位移、速度和加速度引起的边界相互作用力的影响;
346大连理工大学学报第43卷
工况4、5研究的是结构惯性和模型边界等效质量的影响;工况6、7研究的是结构材料阻尼和边界无限地基辐射阻尼的影响;工况8研究的是边界刚度的影响;工况9、10研究的是地震作用按惯性力法计算时的精确程度
.
(a)工况1(
b)工况
2
(c)工况3(
d)工况4(
e)工况
5
(f)工况6(
g)工况7(
h)工况
8
(i)工况9(
j)工况10
图4 洞室群最大主应力分布(单位MPa)
Fig.4 Maximum m ain st ress dist ribution of under ground gr oup caver ns(Unit MP a)
从图4工况1～3可见,在地震动输入中,边
界阻尼力作用产生的应力分布同图3基本一致,
幅值也十分接近,约为全部作用的93%;边界弹
性力作用产生应力分布虽然也同图3相似,但是
幅值相对较小,约为20%左右;而边界惯性力作
用影响更小,而且分布也不一样.
从图4工况4、5可见,对于大型地下洞室来
讲,结构惯性作用很大,忽略则造成分布和幅值均
变化很大;而无限介质在边界上的等效惯性作用
则影响很小,忽略后对应力分布基本没有影响,幅
值则影响更小,约为2%.
从图4工况6、7可见,忽略无限介质边界辐
射阻尼影响很大,主要表现在忽略后主厂房拱顶
与尾水洞拱顶应力最大值分别增大59%和
167%;相比之下,结构材料阻尼影响相对较小,忽
略时分布基本不变,幅值增大约为21%.
从图4工况8可见,地基边界弹性约束作用
对应力分布和幅值影响也较大,忽略后主厂房拱
顶与尾水洞拱顶应力最大值分别相差81%和
21%.
从工况10可见,按照施加惯性力的分析方法
分析地下结构动力响应时,边界约束条件影响很
大,采用边界固定时,不仅应力分布变化很大,而
且幅值相差达几倍,这一点同文献[1]是相同的;
而从工况9可见,在边界施加粘性阻尼器时,计算
结果分布与公式(8)计算结果基本相同,而幅值
则相差22%左右.
4 结果与讨论
综上所述,地下洞室的动力响应分析同地面
结构分析存在很大不同.首先,采用施加惯性力
的分析方法时,边界约束条件的影响会使计算结
347 第3期 陈健云等:大型地下结构三维地震响应特点研究
果失去意义.应该按相互作用的分析方法.其次,采用相互作用分析方法时,边界上的地震动输入以边界阻尼作用力为主.这一点对于结构退化为小尺度地下结构时不考虑波传播效应的拟静力法边界输入是一致的.而边界位移和加速度输入影响相对较小.再次,无限介质边界的弹性约束作用具有一定影响,而边界等效惯性作用是可以忽略的;结构的惯性作用则不可忽略;同结构的材料阻尼相比,边界辐射阻尼的影响更大.最后,采用传统的惯性力法在模型边界施以粘性阻尼器,可在一定程度上近似反映结构动力响应.
参考文献:
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Study of3-D seismic response characteristics of
large under gr ound structures
CHEN Jian-yun*, H U Zhi-qiang, L IN Ga o
(School of Civil and H ydra ul.,Dalia n U niv.of Te chnol.,Da lia n116024,China)
Abst ract:T he3-D seismic response analysis of under ground structures is difficult because of dynamic interaction with the wall rocks.The characteristics of the dynamic stiffness of the unbounded rock medium are analyzed using the damping solvent extraction method and a practical method for underground structures-wall r ock interaction system is proposed.The effects of some key factors such as seismic input mechanism,dynamic stiffness and radiation damping on the seismic response of underground str ucture are studied incor porated with the Xiluodu hydraulic power plant using the pr oposed practical dynamic interaction analysis method.It is demonstr ated that the damping of the unbounded medium has gr eat effects on the seismic input mechanism and the seismic response of underground structure,and the applicable conditions of sever al appr oximate methods often used for underground structur es seismic response analysis are also studied.
Key words:undergr ound chamber s;seismic response analysis;dynamic stiffness;optimization;
damping solvent extraction method
348大连理工大学学报第43卷
框架结构地震响应时程分析的计算模型 摘要：在结构进行地震响应时程分析时，必须首先确定结构的计算模型，以便确立结构的层间刚度。在地震作用下，结构计算模型是结构进行地震响应时分析的主体，由几何模型和物理模型两部分组成。其中几何模型反映了结构计算模型的几何构成，物理模型反映了材料或构件的力学性能。目前在工程上常用的计算模型主要有层间模型、杆系模型和杆系—层间模型。本文针对这三种模型进行全面的分析，并对它们的优缺点展开论述。 1前言 在求解结构在地震作用下的运动方程时，必须要计算结构的刚度矩阵[k]，而要计算结构的刚度矩阵[k]，就得确定结构的计算模型。因此，确定结构的计算模型是结构进行动力分析时必不可少的内容。对于多层框架结构，目前应用最广泛的模型是层间模型、杆系模型和杆系—层间模型。 2 层间模型 层间模型是在假定建筑各层楼板在其自身平面内刚度无穷大，水平地震作用下同层各竖向位移相同，以及建筑结构刚度中心和质量中心相重合，水平地震作用下没有绕竖轴扭转发生的基础上建立起来的。在这种模型中，将结构视为一根竖向杆，结构的质量集中于各楼层处，如图1（a）所示。 (a) (b) (c) (d) 图1 层间模型 （a）层间模型一般形式；（b）层间剪切模型；（c）层间弯曲模型；(d) 层间弯剪模型计算时，层间模型取各层为基本计算单元，采用层恢复力模型来表示地震作用过程中层刚度随层剪力的变化关系，而不考虑弹塑性阶段层刚度沿层高的变化。其几何模型相当于串联质点模型，物理模型的重要参数是层间刚度及其非线性变化规律。根据结构形式、构造特点以及结构侧向变形情况不同，层间模型又分为层间剪切模型、层间弯曲模型及层间弯剪模型，如图1（b）—（d）所示。其中，层间弯曲模型主要用于结构侧向变形以弯曲为主的剪力墙结构中。 而在进行框架结构动力分析时，常用的层间模型是层间剪切模型和层间弯剪模型。当框架横梁与柱的线刚度之比较大时，即“强梁弱住”型框架结构，在振动过程中各楼层始终保持水平，结构的变形表现为层间的错动，其侧向变形主要是层间剪切变形，那么应该采用层间剪切模型。 当框架梁对柱的约束相对较弱时，如一些高层框架，即“强柱弱梁”型结构，其侧向变形包含有层间弯曲和剪切两种成分，层间剪切模型已不能完全反映其变形特点，那么应该采用层间弯剪模型。 层间模型的优点在于自由度数较少，动力方程逐步积分所耗时也较少，但方法比较粗糙，计算精度较差，无法求出结构各杆件的时程反应，也不能确定结构各杆单元的内力和变形。因此，在工程实践中，层间模型主要是用于确定结构的层间剪力和层间侧移，以校核结构在地震作用下层间剪力是否超过层间极限承载力和检验结构在地震作用下的薄弱层位置。 3 杆系模型 杆系模型是较为精确的计算模型，它是在假定楼板在其自身平面内为绝对刚性的基础上建立起来的。这种模型将整个框架结构的梁柱构件离散为杆元，以结构的各杆件作为基本计算单元，将结构的质量集中于框架的各个节点，如图2所示。
地下结构地震破坏形式与抗震分析方法综述 摘要：随着人口的在激增以及经济的发展，人们的需求也开始狂飙式的增长。然而，城市的空间有限，地面空间已经被充分利用，人们的视线开始转为地下，地下结构的开发缓解了城市的地面压力。然而，由于地下结构的抗震技术的发展还并不成熟，在地震后，往往会造成地下结构的损坏甚至直接丧失继续工作的能力，给人们的财产安全带来威胁，影响人们的正常生活。因此在此文中对地下结构的震害形式以及近年来地下结构抗震分析的研究成果进行展示。以加深对地下结构震害的了解，并引起人们对地下结构抗震减震的重视。 关键词：地下结构抗震，震害形式，抗震分析，抗震减震 0 引言 地震是自然界自然界一种常见的自然灾害，地球上每年约发生500多万次地震，即每天要发生上万次地震。其中绝大多数太小或太远以至于人们感觉不到。真正能对人类造成严重危害的地震大约有一二十次，能造成特别严重灾害的地震大约有一两次。然而，这种地震不仅仅会给损害人们的财产安全，更有甚者会威胁到生命安全。 以往的抗震研究主要集中在地上建筑。认为地下结构受到的外界环境较少，各方向约束较多，刚度较大，且高度较小，加之过去地下结构的建设规模相对较少，地下结构受地震作用引起的结构的严重破坏的相关资料也较少，因此地下结构的工程抗震研究及设计长期未得到足够的重视。 1923年日本关东大地震（M8.2），震区内116座铁路隧道，有82座受到破坏；1952 年美国加州克恩郡地震（M7.6），造成南太平洋铁路的四座隧道损坏严重；1976年唐山地震（M7.8），唐山市给水系统完全瘫痪，秦京输油管道发生五处破坏；1978年日本伊豆尾岛地震（M7.0）震后出现了横贯隧道的断裂，隧道衬砌出现了一系列的破坏；特别是1995年日本阪神大地震（M7.2）中，神户市及阪神地区几座城市的供水系统和污水排放系统受到严重破坏，其中神户市供系统完全破坏，并基本丧失功能。神户市部分地铁车站和区间隧道受到不同程度的破坏，其中大开站最为严重，一半以上的中柱完全倒塌，导致顶板坍塌和上覆土层大量沉降，最大沉降量达2.5m。 地震对地下结构造成大规模破坏的同时，地震对地下结构的安全性构成的威胁也开始引起了人们的重视，地下结构工程抗震从业者在震后获取了大量的地震动作用在地下结构上产生的动力特性及影响结构动 力响应的影响因素等宝贵资料，对地下结构工程抗震减震领域的发展具有极大的推动作用。 近年来，关于地下结构的工程抗震分析方法的文献大量涌现。学者从不同角度对地下结构抗震进行阐述，并且有不少理论转化为工程技术，在工程实践中得到了论证。笔者试图综合前人的研究成果，在本文中简要介绍地下结构在地震作用下的破坏形式以及地下结构抗震分析方法，以便加深对地下结构工程抗震的了解，也可增加人们对地下结构工程抗震的重视程度。 1 地下结构震害 由于所处环境、约束情况等的差异，地下结构的破坏形式与结构破坏的影响因素与地上结构有很多不同之处。 1.1 地下结构震害形式 以下以日本阪神地震为主要对象，结合其他地震造成的震害，总结了地铁车站、地下管道、地下隧道的主要震害形式。
隔震结构的基本原理及动力分析 摘要：本文根据现行的《建筑抗震设计规范》，介绍了隔震结构的基本原理、实用范围和设计与分析方法，并通过一隔震结构的设计实例说明隔着结构的优越性。 关键词：基础隔震；地震响应；时程分析法； 引言 目前，我国和世界各国普遍采用的传统抗震方法是将建筑物设计为“延性结构”，通过适当控制调整结构物的自身刚度和强度，使结构构件(如梁、柱、墙、节点等)在强烈地震时进入非弹性状态后具有较大的延性，从而通过塑性变形消耗地震能量，减轻建筑物的地震反应，使整个结构“裂而不倒”，这就是“延性结构体系”[1~3]。它的设防目标是“小震不坏”、“中震可修”、“大震不倒”。实践证明，这种方法对减轻地震灾害起到了积极作用，但是这种传统的结构抗震方法有其明显的不足，随着我国经济的高速发展，对建筑功能要求越来越高，结构的形式越来越多样化、复杂化，很多重要的建筑（电力、通讯中心、核电站、纪念性的建筑、海洋平台等）结构及内部设备的破化将造成巨大的经济损失。对这类建筑的抗震性能提出更高的要求——结构不允许进入塑性工作阶段，因此采用传统抗震方法很难满足此类建筑抗震要求。面对新的社会要求，各国地震工程专家一直寻求新的结构抗震设计途径，以隔震为代表的“结构振动控制技术”便是这种努力的结果[4~6]。 1、隔震结构的基本原理 结构隔震体系是指在建筑物上部结构的底部与基础面之间设置某种隔震装置，使之与固结于地基中的基础地面分离开来的一种结构体系[6]。隔震结构的基本原理可以用图1进一步阐明。图中三条曲线表示不同的阻尼大小，为普通中低层建筑的自振周期，为隔震层建筑的自振周期。 （a）加速度反应谱（b）位移反应谱 图1隔震原理 从图中可以看出，结构自振周期延长，结构的地震加速度反应减小，地震位移反应增大；结构阻尼增大，结构的地震加速度反应和位移反应均减小。隔震系统的水平刚度远远低于上部结构的抗侧刚度，因此，结构的自振周期大大延长，
第43卷第3期2003年5月 大连理工大学学报 Jour nal of Dalian University of Technology Vol .43,No .3May 2003 文章编号:1000-8608(2003)03-0344-05 收稿日期:2002-04-01; 修回日期:2003-03-25. 基金项目:国家自然科学基金资助项目(50209002);辽宁省自然科学基金资助项目(20022130). 作者简介:陈健云*(1968-),男,副教授;林 皋(1929-),男,教授,博士生导师,中国科学院院士. 大型地下结构三维地震响应特点研究 陈健云*, 胡志强, 林 皋 (大连理工大学土木水利学院,辽宁大连 116024) 摘要:采用阻尼影响抽取法分析了地下结构无限围岩介质的动刚度特性,建立了岩石地下 结构抗震分析的实用相互作用分析时域模型,比较研究了地下结构-围岩动力相互作用分析中地震动输入机制、无限围岩动刚度及结构特性等各种主要因素对地下结构地震响应的影响程度.指出几种常用地下结构地震响应近似分析方法只在一定条件下适用,无限介质的阻尼特性对结构响应起着重要的作用. 关键词:地下洞室;地震反应分析;动刚度;优化;阻尼影响抽取法中图分类号:T U 35;TU 9;TV3 文献标识码:A 0 引 言 随着国民经济的发展,地下空间得到了越来越广泛的使用.然而近几年世界范围内发生了一 系列大地震,造成了巨大的灾难,不少地下结构遭受破坏.由于与围岩的相互作用,地下结构的动力特性十分复杂,其响应特点与地面结构有明显的差别.研究表明[1] ,对地下结构采用施加惯性力的地震响应分析,即使采用几倍于结构尺寸的地基离散模型,施加不同的边界条件对地震位移响应的影响可达10倍,应力差别达5～6倍. 目前各种实际地下结构的动力响应分析仍以各种近似方法为主.包括各种拟静力方法,如位 移响应法[2、3] ,地基影响参数通常根据简化假定采 用经验参数.动力近似分析通常将结构简化为二维问题处理[4],对于地下管线等结构形式具有一定的适用性.对于处于比较复杂地质、地形条件下的地下结构,或者形式较复杂的大型地下空间结构,要合理地反映地下结构的地震响应,则必须进行三维动力响应分析. 当前常用的地下结构三维地震分析方法,主要有在模型外边界施加各种人工透射边界解决能量向无限远处辐射[5]的波动分析方法;以地下结构为主体,围岩的作用通过相互作用力来求解的相互作用分析方法[6] ,通常采用有限元、边界元、 解析法或半解析法等耦合求解;以及在外边界施 加粘性阻尼器的惯性力方法.前两种方法属于较精确的数值方法,后一种方法则为近似方法. 由于围岩介质对结构的动力影响在时间与空 间都是耦合的,较精确的地下结构地震响应分析具有一定难度,时域求解复杂且求解代价很大. 本文采用相互作用分析方法,结合溪洛渡超 大型地下洞室群的地震响应分析,研究动力相互 作用运动方程中各主要因素对地下结构地震响应的影响程度,为地下结构的简化分析提供依据. 1 地下结构地震响应的相互作用分 析方法 地下结构的相互作用分析主要采用各种耦合 方法,如有限元与边界元的耦合分析.本文则采 用阻尼影响抽取法得到地基刚度与有限元进行耦合分析. 1.1 阻尼影响抽取法的基本概念 [7] 将无限地基截取有限区域,其刚度阵为S t (X )=K -X 2 M (1) 式中:K 和M 分别为有限域的刚度阵与质量阵. 引入量纲一的频率a 0=X ?r 0/c s 及刚度阵K 与质量阵M ,则式(1)可表达为 S t (X )=Gr s -2 0(K -a 20M )=Gr s -2 0S (a 0) (2)
武汉理工大学《建筑结构抗震设计》复试 第1章绪论 1、震级和烈度有什么区别和联系？ 震级是表示地震大小的一种度量，只跟地震释放能量的多少有关，而烈度则表示某一区域的地表和建筑物受一次地震影响的平均强烈的程度。烈度不仅跟震级有关，同时还跟震源深度、距离震中的远近以及地震波通过的介质条件等多种因素有关。一次地震只有一个震级，但不同的地点有不同的烈度。 2.如何考虑不同类型建筑的抗震设防？ 规范将建筑物按其用途分为四类： 甲类（特殊设防类）、乙类（重点设防类）、丙类（标准设防类）、丁类（适度设防类）。 1 ）标准设防类，应按本地区抗震设防烈度确定其抗震措施和地震作用，达到在遭遇高于当地抗震设防烈度的预估罕遇地震影响时不致倒塌或发生危及生命安全的严重破坏的抗震设防目标。 2 ）重点设防类，应按高于本地区抗震设防烈度一度的要求加强其抗震措施；但抗震设防烈度为9度时应按比9度更高的要求采取抗震措施；地基基础的抗震措施，应符合有关规定。同时，应按本地区抗震设防烈度确定其地震作用。 3 ）特殊设防类，应按高于本地区抗震设防烈度提高一度的要求加强其抗震措施；但抗震设防烈度为9度时应按比9度更高的要求采取抗震措施。同时，应按批准的地震安全性评价的结果且高于本地区抗震设防烈度的要求确定其地震作用。 4 ）适度设防类，允许比本地区抗震设防烈度的要求适当降低其抗震措施，但抗震设防烈度为6度时不应降低。一般情况下，仍应按本地区抗震设防烈度确定其地震作用。 3.怎样理解小震、中震与大震？ 小震就是发生机会较多的地震，50年年限，被超越概率为63.2%； 中震，10%；大震是罕遇的地震，2%。 4、概念设计、抗震计算、构造措施三者之间的关系？ 建筑抗震设计包括三个层次：概念设计、抗震计算、构造措施。概念设计在总体上把握抗震设计的基本原则；抗震计算为建筑抗震设计提供定量手段；构造措施则可以在保证结构整体性、加强局部薄弱环节等意义上保证抗震计算结果的有效性。他们是一个不可割裂的整体。 5.试讨论结构延性与结构抗震的内在联系。 延性设计：通过适当控制结构物的刚度与强度，使结构构件在强烈地震时进入非弹性状态后仍具有较大的延性，从而可以通过塑性变形吸收更多地震输入能量，使结构物至少保证至少“坏而不倒”。延性越好,抗震越好.在设计中，可以通过构造措施和耗能手段来增强结构与构件的延性，提高抗震性能。 第2章场地与地基 1、场地土的固有周期和地震动的卓越周期有何区别和联系？ 由于地震动的周期成分很多，而仅与场地固有周期T接近的周期成分被较大的放大，因此场地固有周期T也将是地面运动的主要周期，称之为地震动的卓越周期。 2、为什么地基的抗震承载力大于静承载力？ 地震作用下只考虑地基土的弹性变形而不考虑永久变形。地震作用仅是附加于原有静荷载上
ＩｎｄｕｓｔｒｉａｌＣｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎＶｏｌ畅４４，Ｎｏ畅１，２０１４ 工业建筑 ２０１４年第４４卷第１期 并联复合隔震结构的地震响应和滞回特性分析 倡 袁 颖１ 周爱红１ 杨树标２ 何国峰 １ （１．石家庄经济学院勘查技术与工程学院，石家庄 ０５００３１；２．河北工程大学土木工程学院，河北邯郸 ０５６０３８） 摘 要：在建立并联复合隔震结构运动微分方程的基础上，通过数值模拟，计算并研究了不同加速度峰值下，给定摩擦承压比的多自由度并联复合隔震结构的自振周期、最大基底剪力、最大基底剪力系数、最大层间位移、层间速度、层间加速度等地震响应以及隔震层的滞回特性，并与普通抗震结构、夹层橡胶垫隔震结构、摩擦滑移结构进行了全面对比分析和讨论。结果表明：并联复合隔震结构由于充分利用了复合隔震支座的优点，能够显著降低结构的地震响应，并且具有优良的滞回耗能特性。 关键词：并联复合隔震；摩擦滑移隔震；夹层橡胶垫隔震；地震响应；滞回特性 ＤＯＩ：１０．１３２０４／ｊ．ｇｙｊｚ２０１４０１００７ ＳＥＩＳＭＩＣＲＥＳＰＯＮＳＥＡＮＤＨＹＳＴＥＲＥＴＩＣＰＥＲＦＯＲＭＡＮＣＥＡＮＡＬＹＳＩＳＯＦＰＡＲＡＬＬＥＬ ＣＯＭＰＯＳＩＴＥＩＳＯＬＡＴＥＤＳＴＲＵＣＴＵＲＥ ＹｕａｎＹｉｎｇ１ ＺｈｏｕＡｉｈｏｎｇ１ ＹａｎｇＳｈｕｂｉａｏ２ ＨｅＧｕｏｆｅｎｇ １ （１．ＳｃｈｏｏｌｏｆＰｒｏｓｐｅｃｔｉｎｇＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙａｎｄＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＳｈｉｊｉａｚｈｕａｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＥｃｏｎｏｍｉｃｓ，Ｓｈｉｊｉａｚｈｕａｎｇ０５００３１，Ｃｈｉｎａ； ２．ＳｃｈｏｏｌｏｆＣｉｖｉｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＨｅｂｅｉＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｈａｎｄａｎ０５６０３８，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌｅｑｕａｔｉｏｎｏｆｍｏｔｉｏｎｆｏｒｐａｒａｌｌｅｌｃｏｍｐｏｓｉｔｅｉｓｏｌａｔｉｏｎｓｔｒｕｃｔｕｒｅｗａｓｆｏｒｍｕｌａｔｅｄｆｉｒｓｔｌｙ．Ｔｈｅｎ，ｔａｋｉｎｇｔｈｅｍｕｌｔｉ－ｄｅｇｒｅｅｏｆｆｒｅｅｄｏｍｓｐａｒａｌｌｅｌｉｓｏｌａｔｅｄｓｔｒｕｃｔｕｒｅｗｉｔｈａｇｉｖｅｎｆｒｉｃｔｉｏｎｂｅａｒｉｎｇｒａｔｉｏｆｏｒａｎｉｌｌｕｓｔｒａｔｉｖｅｅｘａｍｐｌｅ，ｔｈｅｓｅｉｓｍｉｃｒｅｓｐｏｎｓｅｓｕｎｄｅｒｄｉｆｆｅｒｅｎｔａｃｃｅｌｅｒａｔｉｏｎｐｅａｋｖａｌｕｅｓ，ｓｕｃｈａｓｎａｔｕｒａｌｐｅｒｉｏｄｏｆｖｉｂｒａｔｉｏｎ，ｔｈｅｍａｘｉｍｕｍｂａｓｅｓｈｅａｒ，ｔｈｅｍａｘｉｍｕｍｂａｓｅｓｈｅａｒｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ，ｔｈｅｍａｘｉｍｕｍｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ，ｖｅｌｏｃｉｔｙａｎｄａｃｃｅｌｅｒａｔｉｏｎ， ａｎｄｔｈｅｈｙｓｔｅｒｅｔｉｃｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｗｅｒｅｃａｌｃｕｌａｔｅｄａｎｄｓｔｕｄｉｅｄｂｙｎｕｍｅｒｉｃａｌｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｍｅｔｈｏｄ．Ａｎｄｔｈｅｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎｒｅｓｕｌｔｓｗｅｒｅｃｏｍｐａｒｅｄｗｉｔｈｔｈｏｓｅｏｆｏｒｄｉｎａｒｙａｓｅｉｓｍｉｃｓｔｒｕｃｔｕｒｅ，ｉｓｏｌａｔｅｄｓｔｒｕｃｔｕｒｅｗｉｔｈｌａｍｉｎａｔｅｄｒｕｂｂｅｒｂｅａｒｉｎｇｓａｎｄｉｓｏｌａｔｅｄｓｔｒｕｃｔｕｒｅｗｉｔｈｆｒｉｃｔｉｏｎｓｌｉｄｉｎｇｂｅａｒｉｎｇｓｃｏｍｐｒｅｈｅｎｓｉｖｅｌｙａｎｄｄｉｓｃｕｓｓｅｄｉｎｄｅｔａｉｌ．Ｆｉｎａｌｌｙ，ｓｏｍｅｃｏｎｃｌｕｓｉｏｎｓｗｅｒｅｍａｄｅｔｈａｔｔｈｅｉｓｏｌａｔｉｏｎｅｆｆｅｃｔｏｆｐａｒａｌｌｅｌｃｏｍｐｏｓｉｔｅｉｓｏｌａｔｅｄｓｔｒｕｃｔｕｒｅｃｏｕｌｄｒｅｄｕｃｅｔｈｅｓｅｉｓｍｉｃｒｅｓｐｏｎｓｅｄｒａｍａｔｉｃａｌｌｙｄｕｅｔｏｔｈｅｆｕｌｌｕｓｅｏｆｔｈｅｍｅｒｉｔｓｏｆｃｏｍｐｏｓｉｔｅｉｓｏｌａｔｅｄｂｅａｒｉｎｇｓ，ａｎｄｔｈｅｈｙｓｔｅｒｅｔｉｃｅｎｅｒｇｙｄｉｓｓｉｐａｔｉｏｎｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｗａｓａｌｓｏｅｘｃｅｌｌｅｎｔ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｐａｒａｌｌｅｌｃｏｍｐｏｓｉｔｅｉｓｏｌａｔｉｏｎ；ｉｓｏｌａｔｉｏｎｗｉｔｈｆｒｉｃｔｉｏｎｓｌｉｄｉｎｇｂｅａｒｉｎｇ；ｉｓｏｌａｔｉｏｎｗｉｔｈｌａｍｉｎａｔｅｄｒｕｂｂｅｒｂｅａｒｉｎｇ；ｓｅｉｓｍｉｃｒｅｓｐｏｎｓｅ；ｈｙｓｔｅｒｅｔｉｃｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ 倡国家自然科学基金项目（４１２０４０７５）；国家大坝工程技术研究中心开放基金资助项目（ＮＤＳＫＦＪＪ１２０１）。 第一作者：袁颖，男，１９７６年出生，博士，副教授，硕士生导师。电子信箱：ｙｕａｎｙｉｎｇｓｏｎ＠１６３．ｃｏｍ收稿日期：２０１３－０５－１５ 近十几年来，在世界范围内，地震频发，比如 ２００１年印度７畅９级地震，２００４年的印尼９畅０级地震，２００５年巴基斯坦７畅８级地震，２００７年秘鲁７畅５级地震，２００８年中国汶川８畅０级地震，２０１１年日本９畅０级地震等，造成了巨大的人员伤亡和经济损失。在目前水平下，对地震进行准确预报很困难，因此，对建筑物进行结构抗震设计和设防以保证建筑物和人民生命财产安全是十分必要的。 隔震技术是工程抗震领域中的研究热点，在结构底部安装隔震支座是一种行之有效的减震方法。从２０世纪６０年代末起，国外学者开展了相关的研 究工作，并取得了很多研究成果［１－５］ 。世界上许多国家都修建了隔震建筑，日本和美国等国家的有些 隔震建筑还经受过强震考验，隔震效果明显，并取得 了巨大的经济效益和社会效益［６－７］ 。我国自２００１年将隔震消能技术写进了ＧＢ５００１１—２００１枟建筑抗震设计规范枠以来，隔震理论和应用的研究也得到 了迅速发展［８－９］ 。 本文在以往工作基础上［１０－１２］ ，对并联复合隔震体系进行了理论分析，建立了并联复合隔震的力学
填空题（每空1分，共20分） 1、地震波包括在地球内部传播的体波和只限于在地球表面传播的面波，其中体波包括纵波（P）波和横（S）波，而面波分为瑞雷波和洛夫波，对建筑物和地表的破坏主要以面波为主。 2、场地类别根据等效剪切波波速和场地覆土层厚度共划分为IV类。3．我国采用按建筑物重要性分类和三水准设防、二阶段设计的基本思想，指导抗震设计规范的确定。其中三水准设防的目标是小震不坏，中震可修和大震不倒4、在用底部剪力法计算多层结构的水平地震作用时，对于T1>1.4T g时，在结构顶部附加ΔF n，其目的是考虑高振型的影响。 5、钢筋混凝土房屋应根据烈度、建筑物的类型和高度采用不同的 抗震等级，并应符合相应的计算和构造措施要求。 6、地震系数k表示地面运动的最大加速度与重力加速度之比；动力系数 是单质点最大绝对加速度与地面最大加速度的比值。 7、在振型分解反应谱法中，根据统计和地震资料分析，对于各振型所产生的地震作用效应，可近似地采用平方和开平方的组合方法来确定。 名词解释（每小题3分，共15分） 1、地震烈度： 指某一地区的地面和各类建筑物遭受一次地震影响的强弱程度。 2、抗震设防烈度： 一个地区作为抗震设防依据的地震烈度，应按国家规定权限审批或颁发的文件（图件）执行。 3、反应谱： 地震动反应谱是指单自由度弹性体系在一定的地震动作用和阻尼比下，最大地震反应与结构自振周期的关系曲线。 4、重力荷载代表值： 结构抗震设计时的基本代表值，是结构自重（永久荷载）和有关可变荷载的组合值之和。 5 强柱弱梁： 结构设计时希望梁先于柱发生破坏，塑性铰先发生在梁端，而不是在柱端。 三简答题（每小题6分，共30分） 1.简述地基液化的概念及其影响因素。 地震时饱和粉土和砂土颗粒在振动结构趋于压密，颗粒间孔隙水压力急剧增加，当其上升至与土颗粒所受正压应力接近或相等时，土颗粒间因摩擦产生的抗剪能力消失，土颗粒像液体一样处于悬浮状态，形成液化现象。其影响因素主要包括土质的地质年代、土的密实度和黏粒含量、土层埋深和地下水位深度、地震烈度和持续时间 2.简述两阶段抗震设计方法。？
精心整理《地震工程学》课程总结? 1.对所学内容的综述? 1.1结构地震反应分析的方法? 结构地震反应分析的方法很多，下面主要介绍反应谱理论和时程反应分析法? 绍。 也并不是一次地震动作用下的反应谱，而是不同地震反应的包线。 1.1.2?? 时程分析法? 时程分析法又称作动态分析法。它是将地震波段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弹塑性动力反应分析，计算出结构在整个强震时域中的振动状态过程，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。? 时程分析法计算地震反应需要输入地震动参数，该参数具有概率含义的加速度时程曲线、结构和构件的动力模型考虑了结构的非线性恢复力特性，更接近实际情况，因而时程分析方法具有很多优点。它全面地考虑了强震三要素；比较确切地、具体地和细致地给出了结构弹塑性地震反应。? 1.1.3地震信号频域分析? ???? X(f）， 1.2? 1.2.1 （1) ??(2 （3 ?（4 性和有效性；? ?? （5）验证抗震理论、结构地震反应分析方法、结构振动控制算法等的可靠性和适用性。? 1.2.2? 结构抗震试验的实施程序? ??
（1）确定研究目标和试验方法，含试验目的、试验设备和试件的采用、需要测量的物理量等；? ?? （2）荷载施加，含与试验设备相关的荷载施加方式和加载规则等；? ?（3）测点布置和数据采集，含各类传感器和数采设备的采用、测点数量的选择；? ??（4）数据分析，含测试数据的常规处理和特殊分析。? （1 ? （2 ????旨在 （3 ?? 入下结构或构件的地震反应，研究和验证结构地震破坏机理、破坏特征、抗震能力和抗震薄弱环节。 ?（4）振动台试验? ?????振动台试验是利用振动台装置进行的结构强迫振动试验，是地震工程研究中最重要的实验手段之一。?
结构抗震课后习题答案
《建筑结构抗震设计》课后习题解答建筑结构抗震设计》第 1 章绪论 1、震级和烈度有什么区别和联系？震级是表示地震大小的一种度量，只跟地震释放能量的多少有关，而烈度则表示某一区域的地表和建筑物受一次地震影响的平均强烈的程度。烈度不仅跟震级有关，同时还跟震源深度、距离震中的远近以及地震波通过的介质条件等多种因素有关。一次地震只有一个震级，但不同的地点有不同的烈度。 2.如何考虑不同类型建筑的抗震设防？规范将建筑物按其用途分为四类：甲类（特殊设防类）、乙类（重点设防类）、丙类（标准设防类）、丁类（适度设防类）。 1 ）标准设防类，应按本地区抗震设防烈度确定其抗震措施和地震作用，达到在遭遇高于当地抗震设防烈度的预估罕遇地震影响时不致倒塌或发生危及生命安全的严重破坏的抗震设防目标。 2 ）重点设防类，应按高于本地区抗震设防烈度一度的要求加强其抗震措施；但抗震设防烈度为9 度时应按比9 度更高的要求采取抗震措施；地基基础的抗震措施，应符合有关规定。同时，应按本地区抗震设防烈度确定其地震作用。 3 ）特殊设防类，应按高于本地区抗震设防烈度提高一度的要求加强其抗震措施；但抗震设防烈度为9 度时应按比9 度更高的要求采取抗震措施。同时，应按批准的地震安全性评价的结果且高于本地区抗震设防烈度的要求确定其地震作用。 4 ）适度设防类，允许比本地区抗震设防烈度的要求适当降低其抗震措施，但抗震设防烈度为 6 度时不应降低。一般情况下，仍应按本地区抗震设防烈度确定其地震作用。 3.怎样理解小震、中震与大震？ 小震就是发生机会较多的地震，50 年年限，被超越概率为63.2%；中震，10%；大震是罕遇的地震，2%。 4、概念设计、抗震计算、构造措施三者之间的关系？ 建筑抗震设计包括三个层次：概念设计、抗震计算、构造措施。概念设计在总体上把握抗震设计的基本原则；抗震计算为建筑抗震设计提供定量手段；构造措施则可以在保证结构整体性、加强局部薄弱环节等意义上保证抗震计算结果的有效性。他们是一个不可割裂的整体。
第一讲 1、《中华人民共和国防震减灾法》的主要内容是什么？ 答：主要内容包括：1.《防震减灾法》的立法目的2.《防震减灾法》的调整对象及适用范围3.防震减灾工作方针4.对各级人民政府的基本要求。5.政府各部门在防震减灾工作中的职责6.单位和个人的义务7.群测群防工作8.依靠科学进步提高防震减灾工作水平9.提高政府领导防震减灾工作能力10.提升地震监测能力和社会服务职能11.提高建设工程的抗震设防水平12.提高社会的非工程性地震预防能力13.及时完善地震应急救援等相关规定。 2、地震引起的地表破坏现象有哪几种？ 答：1.地表断裂 2.滑坡 3.砂土液化 4.软土震陷 3、工程结构主要有哪些震害现象？ 答：建筑结构软弱层机制破坏、钢筋混凝土柱压弯破坏和剪切破坏、梁柱节点破坏、框架填充墙剪切破坏、桥梁结构落梁、整体或部分倒塌、钢筋混凝土桥墩压弯破坏和剪切破坏、桥梁碰撞、节点破坏、现代斜拉桥震害现象等。 4、近年来结构震害的主要经验教训是什么？ 答：⑴结构抗震设防应采用性能设计原则。即在综合考虑工程造价、结构遭遇地震作用水平、结构的重要性、耐久性和修复费用等因素下，定义结构允许的损坏程度（性能）。 ⑵结构抗震设计应同时考虑强度和延性，尤其注重提高结构整体及延性构件的延性能力。 ⑶重视采用减隔震的设计技术，以提高结构的抗震性能。 ⑷对体系复杂的结构，强调进行空间非线性动力时程分析的必要性。 ⑸对桥梁结构，应重视支座的作用及其设计，同时开发更有效的防落梁装置。 ⑹充分认识到按早期规范设计的旧结构的地震易损性，认识到对重要的旧结构进行抗震加固的紧迫性和必要性。 ⑺充分认识到城市生命线工程遭受地震破坏可能导致的严重社会后果，认识到保证城市生命线工程抗震安全性的意义。 ⑻充分认识到，地震区的一切新建工程都都必须严格按照国家颁布的抗震设计规范进行设防，为此而增加一些基建投资是值得的和必要的。 第二讲 1、构造地震的成因是什么？ 答：构造地震主要是由于断层的错动而造成的。自板块构造学说提出后，人们已广泛接受这样的观点：断层错动是由全球性的大规模板块构造运动所造成的。可以说，板块构造运动是构造地震发生的宏观背景，而断层错动则是构造地震发生的局部机制。 2、什么是地震动的特性及其三要素？ 答：特性：地震动是以运动方式出现。地震动是迅速变化的随机振动，地震动的这一特点，导致了抗震设计对地震作用峰值的关注。地震动对结构的作用效应与结构的动力特性和变形反应有关。地震动具有更大的不确定性，这使得抗震设计不能完全依靠强度安全储备。 三要素：地震动的幅值（最大振幅或叫峰值）、频谱（波形）和持续时间（简称持时）， 3、什么是地震安全性评价？ 答：地震安全性评价是指对具体建设工程场址及其周围地区的地震地质条件、地
关于抗拔对于基础隔震结构对地震响应的效果研究 Panayiotis C. Roussis, M.ASCE1 摘要：不利的拉力或上拔力会对隔震系统和上部结构带来不利的影响，而隔震 支座在一定条件下会出现这种不利的的拉力或上拔力。本研究报告是根据XY 摩擦摆（FP）滑移隔震系统做出的关于抗拔对于隔震结构对地震响应的影响的 研究。作为新一代隔震硬件，抗拔的FP隔震装置——XY- FP能够凭借它具有 承受拉力的特性对上部结构提供抗拔力。为了更好的理解隔震装置的拉拔或拉 力现象以及他们对结构性能和隔震系统的影响，进行了对隔震的实际建筑受双 向水平地震激励的非线性时程分析。分析采用了增强版的3D-BASIS- ME（有 限元）程序，这个程序曾做过改进，新增了能够模拟XY- FP隔震装置拉力特性 的单元。结果表明：通过增加隔震系统摩擦力，XY-FP隔震装置中的拉力，不 管是对整个隔震系统响应还是上部结构响应没有任何显著的影响。 DOI: 10.1061/ASCEST.1943-541X.0000070 CE数据库主题词：基础隔震；抗拔力；拉力；非线性分析 前言 隔震设备硬件显著的发展以及与之平行的分析模型和实验验证技术领域的研究 的发展已经促进了隔震装置被越来越多的认可。最根本的隔震的基本原则包括 通过提供额外的灵活性和耗能能力来防止去耦结构对水平地面的破坏，从而在 地震事故（1999年的naeim和kelly）中减轻结构振动和破坏的严重性。然而，在一定的条件下（例如：有较大高宽比的细长的上部结构和在支撑柱和挡墙下 有合并支座的结构），隔离支座能承受不良的拉力或拔力，以防它们的发生可 能会对隔离系统和上部结构产生有害的影响。尤其是，拔力的出现（在滑动支 座和合梢固定橡胶支座中）可能导致上部结构的倾覆或隔离支座的毁坏（由于
《建筑结构抗震设计》课后习题解答建筑结构抗震设计》第 1 章绪论 1、震级和烈度有什么区别和联系？震级是表示地震大小的一种度量，只跟地震释放能量的多少有关，而烈度则表示某一区域的地表和建筑物受一次地震影响的平均强烈的程度。烈度不仅跟震级有关，同时还跟震源深度、距离震中的远近以及地震波通过的介质条件等多种因素有关。一次地震只有一个震级，但不同的地点有不同的烈度。 2.如何考虑不同类型建筑的抗震设防？规范将建筑物按其用途分为四类：甲类（特殊设防类）、乙类（重点设防类）、丙类（标准设防类）、丁类（适度设防类）。 1 ）标准设防类，应按本地区抗震设防烈度确定其抗震措施和地震作用，达到在遭遇高于当地抗震设防烈度的预估罕遇地震影响时不致倒塌或发生危及生命安全的严重破坏的抗震设防目标。 2 ）重点设防类，应按高于本地区抗震设防烈度一度的要求加强其抗震措施；但抗震设防烈度为 9 度时应按比 9 度更高的要求采取抗震措施；地基基础的抗震措施，应符合有关规定。同时，应按本地区抗震设防烈度确定其地震作用。 3 ）特殊设防类，应按高于本地区抗震设防烈度提高一度的要求加强其抗震措施；但抗震设防烈度为 9 度时应按比 9 度更高的要求采取抗震措施。同时，应按批准的地震安全性评价的结果且高于本地区抗震设防烈度的要求确定其地震作用。 4 ）适度设防类，允许比本地区抗震设防烈度的要求适当降低其抗震措施，但抗震设防烈度为 6 度时不应降低。一般情况下，仍应按本地区抗震设防烈度确定其地震作用。 3.怎样理解小震、中震与大震？ 小震就是发生机会较多的地震，50 年年限，被超越概率为63.2%；中震，10%；大震是罕遇的地震，2%。 4、概念设计、抗震计算、构造措施三者之间的关系？ 建筑抗震设计包括三个层次：概念设计、抗震计算、构造措施。概念设计在总体上把握抗震设计的基本原则；抗震计算为建筑抗震设计提供定量手段；构造措施则可以在保证结构整体性、加强局部薄弱环节等意义上保证抗震计算结果的有效性。他们是一个不可割裂的整体。
振 动 与 冲 击 第26卷第9期 JOURNAL OF V I B RATI O N AND SHOCK Vol .26No .92007 地震作用下桥梁结构横向碰撞模型及参数分析 基金项目:国家自然科学基金资助项目(50578118)收稿日期:2006-12-18 修改稿收到日期:2007-01-18第一作者邓育林男,博士生,1977年3月生 邓育林, 彭天波, 李建中 (同济大学桥梁系,上海 200092) 摘 要:针对桥梁结构在地震作用下梁体与横向挡块间的碰撞现象,采用非线性时程积分法,研究了横向地震作 用下梁体与挡块间的碰撞效应。通过对刚体碰撞模型分析,推导出阻尼常数与恢复系数间的关系表达式,在此基础上建 立了能考虑碰撞过程中能量损失的桥梁横向碰撞模型,并对碰撞刚度、初始间隙、恢复系数以及桥梁跨径等参数进行了影响分析。分析结果表明:最大撞击力随碰撞刚度和桥梁跨径的增大而增大,但随初始间隙的变化规律不明显;恢复系数对碰撞效应影响很大,忽略碰撞过程中的能量损失会高估碰撞反应。为减轻梁体与横向挡块间的碰撞效应,提出了挡块刚度的合理取值。 关键词:横向地震;非线性;碰撞效应;碰撞模型;参数分析 中图分类号:U442.5+5 文献标识码:A 最近二十余年,地球上发生的多次地震灾害对桥 梁抗震设计理论产生了巨大影响,并且开展了一系列深入研究。其中地震作用下,结构的碰撞被认为是影响结构地震反应和结构抗震性能的一个重要因素。许多桥梁结构地震震害表明:桥梁连接构造处的碰撞是 引起结构破坏的主要原因之一[1,2] 。从历次大地震中可知碰撞不但造成构造设施的损坏,而且还会引起相应构件内力急剧增大,对下部结构的延性能力要求增 加,甚至造成桥梁墩台脆性剪切破坏[3-5] 。 在桥梁工程中,为了防止落梁的震害或保证支座的抗震安全性,通常采用设置挡块的抗震措施。目前,各国学者对挡块的抗震性能研究不多,在国外,Shervin Maleki [6,7] 对简支梁桥上部结构与横向约束挡块间碰撞效应进行了研究,分析表明碰撞刚度、初始间隙和结构周期影响很大,同时指出忽略碰撞效应,将会低估挡块及下部结构的地震需求,在抗震设计中造成不安全的结果。其不足是采用的是线性碰撞模型,没有考虑碰撞过程中的能量损失。而在国内,目前的桥梁工程抗震规范仅把挡块作为一种构造措施,实际上挡块的作用对主体结构的地震反应有较大的影响,因而在地震反应分析中,分析挡块的作用以及横向碰撞效应就很有意义。本文通过刚体碰撞模型分析,推导出阻尼常数与恢复系数间的关系,在此基础上建立了简支梁桥横向碰撞简化模型,并进行了参数分析,得到了一些结论和规律,为减轻地震作用下碰撞效应提供依据。 1 刚体碰撞模型 对于混凝土简支梁桥, 上部结构横向刚度一般很 图1 刚体碰撞模型 大,可将其视为刚体,在与挡块发生碰撞时,由于碰撞持时很短,横向碰撞过程可以等效为图1刚体碰撞模型,其中m 为刚体质量,k 为碰撞刚度,c 代表碰撞 过程中的能量损失,假定在t =0时刻发生碰撞。 建立系统的运动方程 m x ?? +cx ? +kx +0x (0)=0,x ? (0)=υ (1) 对于小阻尼情况,上式解为: x (t )=A exp (-ξωn t )sin ωd t (2) 式中 ξ=c /(2m ωn )<1,A =υ0/ωd ,ωd =1-ξ2 ωn , ωn = k /m 。 由条件cx ? (t 0)+kx (t 0)=0或x ?? (t 0)=0可以得到碰撞接触时间。对式(2)求二阶导数并代入t =t 0得: -A exp (-ξωn t 0)[(1-2ξ2 )ωn sin ωd t 0+2 ξωd cos ωd t 0]=0(3)碰撞接触时间为上式的最小正解,即 t 0=π-arctan λωn 1-ξ 2,λ=2 ξ1-ξ2 1-2ξ2(4)同样,可以给出碰撞前后的速度关系,对式(2)求一阶导数并计算碰撞末t =t 0的速度:x ?(t 0)=υ0 1-2ξ2exp [-ξ1-ξ 2(π-arctan λ)]?co s (π-arctan λ)(5) 引入Ne wt on 恢复系数e,得到碰撞前后速度比:
在多位朋友的大力帮助下，经过半个多月的努力，鄙人终于对结构地震反应谱分析有了一定的了解，现将其求解步骤整理出来，以便各位参阅，同时，尚有一些问题，欢迎各位讨论！ 为叙述方便，举一简单实例： 在侧水压与顶部集中力作用下的柱子的地震反应谱分析，谱值为加速度反应谱，考虑X 与Y向地震效应作用。已知地震影响系数a与周期T的关系： a(T)= 0.4853*(0.4444+2.2222*T) 0<T<=0.04 秒 0.4853*(0.10/T)^(-0.686) 0.04<T<=0.1 秒 0.4853 0.1<T<=1.2 秒 0.4853*(1.2/T)^1.5 1.2<T<=4 秒 以下是命令流程序 ---------------------------------------------------------------------------------------------------- /filname,SPEC,1 /PREP7 !定义单元类型及材料特性 ET,1,45 MP,EX,1,2.8E10 MP,DENS,1,2.4E3 MP,NUXY,1,0.18 !建立模型 BLOCK,0,1,0,1,0,5 !网格剖分 ESIZE,0.5 VMESH,all /VIEW,,-0.3,-1,1 EPLOT FINISH /SOLU !施加底部约束 ASEL,,LOC,Z,0 DA,ALL,ALL ALLSEL !施加自重荷载 ACEL,0,0,10 !进行模态求解
ANTYPE,MODAL MODOPT,LANB,30 SOLVE FINISH !进行谱分析 /SOLU ANTYPE,SPECTR SPOPT,SPRS,30,YES SVTYP,2 !加速度反应谱 SED,1,1 !X与Y向 FREQ,0.2500,0.2632,0.2778,0.2941,0.3125,0.3333,0.3571,0.3846,0.4167 FREQ,0.4545,0.5000,0.5556,0.6250,0.7143,0.8333,1.1111,2.0000,10.0000 FREQ,25.0000,1000.0000 SV,0.05,0.0797,0.0861,0.0934,0.1018,0.1114,0.1228,0.1362,0.1522,0.1716 SV,0.05,0.1955,0.2255,0.2642,0.3152,0.3851,0.4853,0.4853,0.4853,0.4853 SV,0.05,0.2588,0.2167 SOLVE FINISH !进行模态求解(模态扩展) /SOLU ANTYPE,MODAL EXPASS,ON MXPAND,30,,,YES,0.005 SOLVE FINISH !进行谱分析(合并模态) /SOLU ANTYPE,SPECTR SRSS,0.15,disp SOLVE FINISH /POST1 SET,LIST !结果1 /INP,,mcom lcwrite,11
地层地震反应对地下结构的影响 隧道二班谭坤（07011227） 地震对地下工程影响的一般规律 地震对地下工程的影响规律总体上有以下的特点: 1) 地下结构的振动变形受周围地基土壤的约束作用显著,结构的动力反应 一般不明显表现出自振特性的影响。 2) 地下结构的振动形态受地震波入射方向的影响很大,地震波的入射方向 发生不大的变化,地下结构各点的变形和应力可以发生较大的变化,相位差别也 十分明显。但主要应变一般与地震加速度大小的联系不很明显,随埋深发生的变化也不很明显。 3) 地下结构地基的相互作用都对它的动力反应产生重要影响,对结构动力 反应起主要作用的因素是地基的运动特性,一般来说,结构形状的改变对动力反 应的影响相对较小,只引起量的变化。而地下结构的存在对周围地基震动的影响一般很小(指地下结构的尺寸相对于地震波长的比例较小的情况) 。 岩体隧道震害的形式主要有裂纹、剥落、底部隆起或倾斜,破坏程度主要取决于地震作用力方向及现场地质条件,一般发生于存在破碎带的地层中。 对于土体隧道,土体对地震的响应要明显强于岩体,所以隧道破坏的可能性 也更大。又由于土体隧道多用于城市地铁,车站较多,整体结构形式不均一,容易产生应力集中,使破坏多集中在车站上。 1) 并行隧道距离越小, 其地震内力反应越大, 当距离小于隧道断面外径D , 尤其是小于0. 5D 时, 抗震设计应给予足够的重视; 2) 地震引起的地基变形是影响盾构隧道地震反应的决定性因素, 因而在抗震设计时需要合理考虑盾构隧道应承受的地基变形, 因此相对于地震系数法, 反应位移法的设计思想更为合理; 3) 相对于目前广泛采用的设计基本地震加速度, 对地铁区间隧道等地下结构进行抗震分析及设计时采用地面峰值相对位移作为设计地震动参数更为合理。 上述结论是基于三类建筑场地条件得出的, 可供地铁盾构区间隧道等地下 结构抗震设计参考。对于其他场地条件, 还有待进一步研究。
2008年第6期总第120期 福 建 建 筑 F u j i a nA r c h i t e c t u r e ＆C o n s t r u c t i o n N o 6·2008 V o l ·120 基于M a t l a b 求解建筑结构地震响应的时程分析法 孟宪萍 (开封市供水总公司 475004) 摘 要:本文基于m a t l a b 阐述了我国《建筑抗震设计规范》(G B 50011-2001)规定的求解建筑结构地震响应的时程分析法,应用m a t l a b 语言编制了时程分析法求解建筑结构地震响应的计算程序,并以一三层钢筋混凝土结构为工程算例,应用基于m a t l a b 的时程分析法进行结构的地震响应计算。结果表明,基于m a t l a b 的时程分析计算效率较高。关键词:M A T L A B 地震响应 时程分析法 中图分类号:T U 312+.1 文献标识码:A 文章编号:1004-6135(2008)06-0038-03 T h e t i m e -h i s t o r y m e t h o db a s e d o nm a t l a b o f r e s o l v i n g t h e e a r t h q u a k e r e s p o n s e o f t h e s t r u c t u r e s M e n g X i a n p i n g (K a i f e n g Wa t e r S u p p l y C o m p a n y 475004) A b s t r a c t :I nt h i s p a p e r ,t h e t i m e -h i s t o r y m e t h o dw h i c h i s m e n t i o n e d i n t h e c o d e f o r s e i s m i c d e s i g n o f b u i l d i n g s (G B 50011-2001)t o r e s o l v e t h e e a r t h q u a k e r e s p o n s e o f t h e s t r u c t u r e s i s d i s c u s s e d b a s e d o nm a t l a b .T h e c a l c u l a t i o np r o g r a m s o f t h et i m e -h i s t o r y m e t h o da r e w o r k e do u t u s i n g t h e l a n g u a g e m a t l a b .T a k i n g a t h r e es t o r y r e i n f o r c e d c o n c r e t e f r a m e s t r u c t u r e a s a ne x a m p l e ,t h e e a r t h q u a k e r e s p o n s e o f t h e s t r u c t u r e i s r e s o l v e d b y u s i n g t h e c a l c u l a t i o n p r o g r a m s o f t h e t i m e -h i s t o r y m e t h o d .T h e r e s u l t i n d i c a t e s t h a t T h e t i m e -h i s t o r y m e t h o d b a s e do n m a t l a bo f r e s o l v i n gt h e e a r t h q u a k e r e s p o n s e o f t h e s t r u c t u r e s i s e f f i c i e n t .K e y w o r d s : M A T L A B e a r t h q u a k e r e s p o n s e t i m e -h i s t o r y a n a l y s i s m e t h o d 作者简介:孟宪萍,女,1966年出生,主要从事建筑结构设 计及建筑咨询。 收稿日期:2008-03-25 1 引言 我国《建筑抗震设计规范》(G B 50011-2001)第5章对时程分析法的使用情况作出了规定。时程分析法又称为直接动力法或逐步积分法。采用时程分析法可以计算出结构在地震过程中每一瞬时的反应,可用来求解建筑结构的几何及物理线性与非线性动力响应。与经典的反应谱方法相比,有很多的优点,但是它也存在许多不足,主要有计算模型的合理选择困难;地震波输入的不确定性;在计算过程中要进行刚度矩阵等的不断修正,每一时刻的结果都受到此刻之前的结果的影响等,导致计算分析工作量较大。虽然目前在结构弹塑性时程分析时,结构动力增量微分方程已有较为成熟的算法以及相关的大型分析软件可以利用,但是其计算分析工作量仍然十分繁重,不但耗费机时,结果处理复杂,而且同计算者本身的经验和对结构在地震作用下的损伤形态和破坏顺序的 假定相关,这些都带有一定的主观性。但是随着计算机的普及,时程分析法正逐步被抗震规范接受。本文在详细阐述了时程分析法基本原理基础上,结合m a t -l a b 语言编制了时程分析法求解建筑结构地震响应的计算程序,并以一三层钢筋混凝土结构为例进行验证。 2 时程分析法基本原理 2.1 结构在地震作用下的动力微分方程 多自由度体系建筑结构在地震作用下的运动运动微分方程为 [M ]{x ·· }+[C ]{x · }+[K ]{x }=-[M ]{x ·· g } (1) 其中,[M ],[C ],[K ]分别为建筑结构质量、阻尼和刚度矩阵,{x ·· g }为地面运动加速度。2.2 建筑结构的计算模型 建筑结构计算模型一般应根据结构形式及构造特点、分析精度以及计算机容量等情况确定。用时程分析法求解时,由于计算工作量大,在尽量真实再现结构动力反应特点的前提下,尽可能对结构予以简化。对于传统的多层房屋结构,最简单且应用最广的模型是层间剪切模型,如图1所示,在这种模型中,房