竖向地震作用
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什么是地震作用什么是地震作用地震作用(earthquake action),建筑学术语,指由地运动引起的结构动态作用,分水平地震作用和竖向地震作用。
设计时根据其超越概率,可视为可变作用或偶然作用。
下面是有关于地震作用的介绍,一起来看看。
强震地面运动强地震引起的地面运动,一般可用强震仪以加速度时程曲线(两个水平向、一个竖向)的形式记录,其中对结构产生作用的最重要特征是加速度最大值(也称加速度峰值)、频率成分和持续时间。
从图1 a、b可知,两个记录分别具有不同的频率成分(波形A、波形B),其各自的主要频率也称卓越频率(其倒数为卓越周期);土愈软则卓越周期愈长,并随震中距而异。
持续时间从几秒至几十秒,随震级、震中距以及地表软土覆盖层厚度而变化。
地震时,在结构的某些部位装上传感器把信号记录下来,可得到地震反应的物理量:如加速度、速度、位移和应变等,用以定量估计地震作用,以便在工程结构抗震设计中应用。
地震反应分析在地震的地面运动作用下,分析结构反应的过程称地震反应分析。
分析时常把研究的结构看成一个“系统”,把地面运动看成对该系统的输入,系统的输出便是地震反应。
以最简单的单自由度弹性体系作为该系统的一例,其质点在地震动作用下的运动方程式为m【塯(t)+塯g(t)】+c凧(t)+kyx(t)=0式中m为质量;塯g为地面运动加速度(即输入);塯、凧及x为质点相对于基底的加速度、速度和位移(即反应);【塯(t)+塯g(t)】为绝对加速度;c为阻尼系数;ky为刚度。
m【塯(t)+塯g(t)】为质点运动的惯性力。
c凧(t)为阻尼力(阻尼愈大反应愈小)。
kyx(t)为恢复力;是质点在地震作用下力图恢复到原来位置的力。
在无阻尼自由振动中,质量m和刚度ky决定体系的自振频率(或周期)。
在相同的地面运动下,不同自振频率体系的质点反应不一样;反之,把不同地面运动输入同一体系的反应也不一样。
因此,地震作用不同于重力等其他作用,它和地面运动特性以及结构本身的动力特性(频率、阻尼)有关。
5 地震作用和结构抗震验算5.1 一般规定5.1.1各类建筑结构的地震作用,应符合下列规定:1一般情况下,应至少在建筑结构的两个主轴方向分别计算水平地震作用,各方向的水平地震作用应由该方向抗侧力构件承担。
2有斜交抗侧力构件的结构,当相交角度大于15°时,应分别计算各抗侧力构件方向的水平地震作用。
3质量和刚度分布明显不对称的结构,应计入双向水平地震作用下的扭转影响;其它情况,应允许采用调整地震作用效应的方法计入扭转影响。
48、9度时的大跨度和长悬臂结构及9度时的高层建筑,应计算竖向地震作用5平面投影尺度很大的空间结构,应视结构形式和支承条件,分别按单点一致、多点、多向或多向多点输入计算地震作用。
注:8、9度时采用隔震设计的建筑结构,应按有关规定计算竖向地震作用。
【说明】本次修订,拟明确大跨空间结构地震作用的计算要求。
1、平面投影尺度很大的空间结构指,跨度大于120m、或长度大于300m、或悬臂大于40m的结构。
2、关于结构形式和支承条件(1)周边支承空间结构,如:网架、单、双层网壳、索穹顶、弦支穹顶屋盖和下部圈梁-框架结构,当下部支承结构为一个整体、且与上部空间结构侧向刚度比大于等于2时,应允许采用三向(水平两向加竖向)单点一致输入计算地震作用;当下部支承结构由结构缝分开、且每个独立的支承结构单元与上部空间结构侧向刚度比小于2时,应采用三向多点输入计算地震作用;(2)两线边支承空间结构,如:拱,拱桁架;门式刚架,门式桁架;圆柱面网壳等结构,当支承于独立基础时,应采用三向多点输入计算地震作用。
(3)长悬臂空间结构,应视其支承结构特点,采用多向单点一致输入、或多向多点输入计算地震作用。
3、关于单点一致输入仅对基础底部输入一致的加速度反应谱或加速度时程进行结构计算。
4、关于多向输入沿空间结构基础底部,三向同时输入,其地震动参数(加速度峰值或反应谱峰值)比例取:水平主向:水平次向:竖向= 1.00:0.85:0.65。
竖向地震作用
竖向地震作用:是指结构在竖向地震分量的作用下,产生竖向的地震效应。
1:
竖向地震动对结构的影响并非完全没有研究过,钱培风先生早在工力所工作时就已倡导竖向地震作用研究而著名。
唐山地震时有一座烟囱拦腰折断,但有意思的是上面部分旋转90度后落在下面部分之上,并没有掉下来。
关于该震害现象是由于水平地震作用还是竖向地震作用引起的,在工力所曾引发了激烈的争论。
地震工程研究普遍重视水平地震作用的原因有二:
一、从强震观测的纪录上看,竖向地震动的峰值普遍小于水平地震动峰值,一般为水平地震动峰值的
1/2~2/3,所以水平地震动更重要。
二、结构体系一般具有较强地抗竖向荷载的能力(如柱的轴向刚度很大,结构设计时必须考虑死、活荷载的作用,所以结构有足够的竖向抗力!),而抗水平作用在体系实现上比较困难,这就使得水平地震作用更具威胁性。
但是,实际观测到的竖向地震动峰值也有超过1g的,况且当前的结构体系较之过去有很大不同,主要是大跨、超高的体系已很普遍。
这样竖向地震动对结构的影响似乎并不再是无足轻重了,特别是P-Delt效应问题比较突出,需要研究。
在理论上,竖向地震作用下的结构反应分析同水平地震反应分析方法没有区别,如果采用空间模型,输入三维地震地面运动,则可以将结构水平与竖向反应结果一并算出。
2:
之所以“自从唐山地震以来,好像竖向地震力的关注越发受到人们的冷落”是因为唐山地震前,由钱培风先生提出的竖向地震作用也很显著的说法,很多人不理解,在期刊上争论的很激烈。
钱培风先生在众多人反对的形势下,一直坚持自己的观点。
钱老的论据尽是地震现场人员的口头描述,经过地震的人大多都不在震中区,对地震的感受只有水平运动;唐山地震(震中区)震害的照片让大家明白了确有竖向地震加速度大于g的现象。
于是大家有了统一的认识,不再争论,即冷落了。
结论是:震中区竖向地震加速度会很大,随震中距的加大,由于竖向地震波是高频率,衰减很快,所以大部分地区都是只感觉有水平地震作用。
由此规范对高烈度区(震中区)提出计算竖向地震的要求;对接近震中区(八度)的大跨,长悬臂等对竖向地震敏感的结构也提出了计算竖向地震的要求。
除此之外的区域,只要求计算水平地震作用。
3:
竖向地震作用目前的研究并不是很多,据已经查到的资料看,一般都是在研究建筑结构简化为单质点以及多质点模型在竖向地震作用下的地震反应。
另一方面,竖向地震作用在隔震结构中显得比较突出,因此在隔震结构中对竖向地震作用还是比较重视的。
我国抗震设计规范里中也规定位于高烈度区8度和9度时的大跨结构、长悬臂结构、烟囱和类似的高耸结构,9度时的高层建筑,应考虑竖向地震作用。
规范里计算时候取竖向地震作用为水平地震作用的65%。
就已有的地震记录还看,根据统计资料,一般竖向地震作用为水平地震作用的1/2~2/3左右,在高烈度地区,竖向地震可能达到或者超过1g,竖向地震作用与水平地震作用的比值甚至会达到2左右。
为什么竖向地震时程分析的结构计算模型水平构件的跨中至少要设一个有质量的节点呢?
一般有限元采用聚集质量法,即将杆件单元的质量集中到杆端节点上,地震作用是惯性力,如框架梁中无质量,则计算中无法模拟实际的地震竖向作用。
竖向地震跟水平地震类似,惯性力是与整个结构的质量相关,至于在其内部的分部应与其单个构件的质量没太大的联系。