第三章-3-时程分析-非线性反应
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从理论上讲,如果反映谱分析所用的反映谱是时程分析分析时用的地震波所产生的反映谱,而分析又限於弹性阶段,两者几乎没有差别,因为反映谱分析(取足够的模态)只是忽略了影响很小的高阶效应。
但是如果结构进入非弹性阶段,只有用时程分析反应普法有几个假设:1,结构是弹性反应,反应可以叠加;2,无土结的相互作用;3,质点的最大反应即为其最不利反应;4,地震是平稳随机过程.而时程分析是把地震过程安时间步长分为若干段,在每时间段内安弹性分析,算出反应,然后再调整刚度和阻尼.总得一句话,就是步步积分法!①反应谱方法是一种拟静力方法,虽然能够同时考虑结构各频段振动的振幅最大值和频谱两个主要要素,但对于持时这一要素未能得到体现,震害调查表明,有些按反应谱理论设计的结构,在未超过设防烈度的地震中,也遭受到了严重的破坏,这充分说明了持时要素在设计中应该被考虑。
②反应谱方法忽略了地震作用的随机性,不能考虑结构在罕遇地震下逐步进入塑性时,因其周期、阻尼、振型等动力特性的改变,而导致结构中的内力重新分布这一现象。
③反应谱方法假设结构所有支座处的地震动完全相同,忽略基础与土层之间的相互作用。
时程分析方法是一种相对比较精细的方法,不但可以考虑结构进入塑性后的内力重分布,而且可以记录结构响应的整个过程。
但这种方法只反应结构在一条特定地震波作用下的性能,往往不具有普遍性。
我国反映谱方法的曲线是由255条地震波的地震反映的平均值,而非包络值,体现的是共性,但无法反映结构进入塑性的整体结构性能。
时程方法体现的是具体某条地震波的反映,不同地震波作用下结果的差异也很大,需要合理选波。
底部剪力法/反应谱法/时程分析法一些有用的概念/histruct/blog/item/465ce38787299023c75cc357.html从传统的观点来看,底部剪力法,反应谱法和时程分析法是三大最常用的结构地震响应分析方法。
那么正确的认识它们的一些关键概念,对于建筑结构的抗震设计具有非常重要的意义。
第3章 工程结构地震反应分析与抗震验算1、地震作用的计算方法:底部剪力法(不超过40m 的规则结构)、振型分解反应谱法、时程分析法(特别不规则、甲类和超过规定范围的高层建筑)、静力弹塑性方法。
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9度的高层建筑:考虑竖向地震作用。
2、结构抗震理论的发展:静力法、定函数理论、反应谱法、时程分析法、非线性静力分析方法。
3、单自由度体系的运动方程:g xm kx x c x m -=++或m t F x x x e /)(22=++ωξω 。
杜哈美积分x(t)= ⎰----tt t e xd )(g dd )(sin )(1ττωτωτξω , ωξωm cm k 2,2== 单自由度体系自由振动:)sin cos ()(d d000t x xt x e t x d t ωωξωωξω++=- 。
4、最大反应之间的关系:d v a S S S 2ωω==5、地震反应谱:单自由度体系在给定的地震作用下某个最大反应与体系自振周期的关系曲线。
特点:⑴阻尼比对反应谱影响很大;⑵对于加速度反应谱,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;⑶对于速度反应谱,当结构周期小于某个值时幅值随周期增大,随后趋于常数;⑷对于位移反应谱,幅值随周期增大。
地震反应谱是现阶段计算地震作用的基础,通过它把随时程变化的地震作用转化为最大等效侧向力。
6、单自由度体系的水平地震作用:F G k G gt x t xS mgg g a αβ===maxmax)()(β为动力系数,k 为地震系数,α=k β为水平地震影响系数。
7、抗震设计反应谱αmax 地震影响系数最大值,查表;T 为结构周期;T g 为特征周期,查表;例:单层单跨框架。
屋盖刚度为无穷大,质量集中于屋盖处。
桥梁抗震非线性分析单元摘要:近些年来,国外修建了许多大跨度的桥梁。
随着我国经济的不断发展,近些年来也修建了许多跨径超过千米的桥梁,而我国又是一个地震多发的国家,桥梁抗震性能对大跨桥梁尤其重要。
桥梁抗震问题已经成为桥梁设计者所必须解决的问题。
在强震作用下混凝土梁柱构件易进入塑性阶段而发生弹塑性损伤,正确地模拟结构进入非线性状态后的力学行为对评价结构的抗震安全性具有重要的意义。
解决结构的非线性反应分析问题首先要解决构件的非线性分析模型问题,本文主要阐述了在桥梁高墩进行抗震非线性反应分析中所采用的非线性单元,以及发展趋势。
关键词:弹塑性;地震反应;塑性铰;高墩;弹塑性梁柱单元;弹塑性纤维梁柱单元;抗震分析;集中塑性模型;纤维模型0引言随着我国经济的发展,对建筑结构的抗震性能评估有了更高的要求。
近年来,随着交通建设的发展,我国西部地区规划并建成了大量的公路及铁路线路。
由于西部地区多为山岭重丘区,地形、地貌和地质条件复杂,山区桥梁结构通常采用多联连续梁或连续刚构,下部一般为高墩,且墩高相差悬殊,属于典型的非规则桥梁。
高墩桥梁结构复杂,多采用薄壁空心墩,长细比较大,与中、低墩明显不同。
西部地区的初步调查表明:在已建成及正在设计规划中的高等级公路中,墩高超过40m的高墩桥梁占桥梁总数的40%以上,例如黄延高速公路的洛河特大桥最高墩高达143m,而我国《公路工程抗震设计规范(JTJ 004-89)〉仅适用于墩高不大于30m的墩柱。
近些年来,国内外学者对高耸结构的地震需求及位移延性能力进行了一些有益的探讨,李睿等采用弹性时程分析方法讨论了高阶振型对桥梁高墩地震响应的影响,指出随着墩高的增加,高阶振型对其地震响应的影响逐步增强[1] ;阎志刚在桥梁高墩的研究中指出高阶振型对高耸结构地震需求影响较大在地震作用下可能形成两个或两个以上塑性铰[2]; John L. W ilson等采用弹塑性梁柱单元建立计算模型模拟245m钢筋混凝土高烟囱,证明高阶振型在高烟囱的地震反应中起主导地位,指出在地震作用下高烟囱将形成多个塑性铰,对桥梁高墩地震需求分析具有一定的借鉴意义;李建中,宋晓东等对桥梁高墩位移延性能力的研究也证明了墩身质量及高阶振型对高墩位移延性能力有较大贡献[3];夏修身,陈兴冲,王常峰受高阶振型的影响,墩中塑性铰区对曲率延性的需求可能会比对墩底塑性铰区对延性需求大很多[4]。
19. 时程分析(Time History Analysis) 时程分析(Time History Analysis)中所使用的动力平衡方程如下。
: 质量矩阵(Mass Matrix) : 阻尼矩阵(Damping Matrix) : 刚度矩阵(Stiffness Matrix) : 动力荷载 、 、 : 位移、速度、加速度时程分析是可以求出建筑物在动力荷载作用下的动力平衡方程解的方法,这 种方法利用建筑物的动力特性和承受的荷载,计算出处于任意时间内建筑物 的变形、内力等。
时程分析方法中有直接积分法(Direct Integration)和振 型叠加法(Modal Superposition),由于振型叠加法的效果好,所以被较多 地使用。
振型叠加法 振型叠加法利用建筑物位移之间具有的正交性,通过线性组合的形式进行表 示,公式如下。
这种方法是在假定阻尼矩阵可以用质量矩阵和刚度矩阵的线 性组合进行表示的前提之下。
(1)(2) (3)(4)(5): Rayleigh 系数 : 第 i 振型的阻尼比 : 第 i 振型的基本周期 : 第 i 振型的模态 : 第 i 振型的单自由度方程的解 时程分析中,建筑物的位移可以按照像公式(4)一样使用振型模态和单自由 度方程解的乘积表示,位移的准确性受到所使用的振型数量的影响。
这种方 法是结构分析程序中使用最多的方法,可以说是大型建筑物线性动力分析中 非常有效的方法。
但是在非线性动力分析或者装有阻尼装置,阻尼无法用刚 度和质量的线性组合进行表现时是不能使用该方法的,这是该方法的缺点。
利用振型叠加法时,需要输入的数据和输入注意事项如下: 分析时间(或者分析步骤次数) : 打算进行分析的时间或者分析步骤数 分析时间间隔: 是分析过程中使用的时间间隔, 对分析的正确性有着相当 程度的影响,时间间隔的长短与建筑物的高阶振型周期或者荷载周期有着密 切的关系。
分析时间间隔对<公式 5>的积分项有着直接的影响,如果输入的 数据不合适,结果将不正确。