当前位置：文档之家 › 地震作用与结构计算分析

地震作用与结构计算分析

  • 格式：docx
  • 大小：82.28 KB
  • 文档页数：5

地震作用与结构计算分析

盐城市华信建筑设计院 邵成明

【摘要】本文针对现阶段结构设计规范中的地震作用与各种结构计算分析方法做简单的阐述 以便结构结构工程师更深刻的了解规范

近期对新混凝土规范 GB50010-2010,抗震规范 GB50011-2010,高层建筑规范 JGJ3-2010 进行学习•对于GB50010中的第五章结构分析方法,GB50011中第三章的结构分析与第五章的 地震作用,JGJ3中第四章的地震作用与第五章的结构计算分析，进行汇总学习、归纳总结 •

一. 混凝土规范提出了结构分析时的常用分析方法 •

1. 弹性分析方法•

2. 塑性内力重分布分析方法•

3. 弹塑性分析•

4. 塑性极限分析•

5. 试验分析.

对于塑性内力重分布分析法 ，可用于连续梁和连续单向板的分析 •重力荷载作用下的框

架,框剪结构中的现浇梁等，经弹性分析求得内力后可对支座或节点弯距按内力重分布思路 进行适当调幅•对于超静定的钢筋混凝土人防结构 ，可按由非弹性变形产生的塑性内力重分

布计算内力.但由于抗弯能力调低部位的变形和裂缝可能增大 ，导致在特殊环境中和直接承

受动力荷载的构件中禁用•所以该方法使用范围并不广泛•

塑性极限分析是使超静定达到承载力的极限状态 .结构中早期达到屈服的构件实际上已

有一定程度的损伤•所以结构不能承受多次重复荷载的作用 •此种方法也叫破损分析•主要目

的是找出极限荷载•极限荷载与弹塑性分析所得到的极限载荷完全相等 •但他避开了弹塑性

分析的复杂过程•实际工程中该方法使用不多•

试验分析是对结构体型不规则 ，受力状态复杂，无合适的简化分析方法•或是十分重要的

建筑可采取此方法•但是其成本较高，很少在实际工程中使用•

弹性（线性）分析方法，是最基本和最成熟的结构分析方法 ，分析简单实用•承载力设计偏 于安全•采用较多的是结构力学和弹性力学的分析 •大多数混凝土工程是按此方法分析设计 ，

使用极其广泛•

弹塑性（非线性）分析方法，是以混凝土的实际力学性能为依据 ，进行结构受力全过程分

析•由于引入分析的非线性本构关系不够完善 •使其使用范围有限•仅对重要的，复杂的高层

结构在罕遇地震下的变形分析 •

二. 抗震规范与高层规范的地震作用与结构分析 •

抗震规范第3.6条着重阐述了弹性分析方法与弹塑性分析方法 .

弹性分析方法，规范要求对建筑结构进行多遇地震作用下的内力和变形分析 •可假定结

构和构件处于弹性工作状态，内力和变形分析可采用弹性静力方法或弹性动力方法 •弹性静

力法包括我们熟知的底部剪力法与反应谱法 .弹性动力法有弹性时程分析法 . 弹塑性分析方法•规范要求不规则且具有明显薄弱部位可能导致重大地震破坏的建筑结 构应进行罕遇地震作用下弹塑性变形分析 •即用非弹性方法进行结构的变形分析 •在此规范

也推荐了两种分析具体分析方法 •即我们常说的静力弹塑性分析法 （PUSH-OVER和动力弹塑性分析（弹塑性时程分析）.

下面我们对以上五种分析方法 ：底部剪力法、反应谱法、弹性时程分析法、推覆方法

（PUSH-OVET）弹塑性时程分析分别总结.

底部剪力法其实是最经典的分析方法，他在早期地震作用结构分析三大法（底部剪力、反 应谱法、时程分析法）中占有很大地位。当然这主要与计算机软件的计算能力与普及程度有 关。现在他主要适用于高度不超过 40米，以剪切变形为主且质量和刚度沿高度分布比较均

匀的结构，以及近似于单质点体系的结构。结构计算模型相当于层模型。不能反映各种材料 自身的动力特性及结构物之间的动力响应， 更不能反映结构物之间的动力耦合关系。 随着计

算机的普及和计算精度的增加，使用范围已逐步减少。

底部剪力法简图示意

反应谱法是在给定的地震加速度作用时间内， 单质点体系的最大位移反应、 速度反应和

加速度反应随质点自振周期变化的曲线， 用作计算在地震作用下结构的内力和变形。 振型分

解反应谱法是利用振型分解与振型正交的原理， 将求解n个自由度弹性体系的地震反应分解

为求解n个独立的等效单自由度弹性体系的最大地震反应，进而求得每一个振型的作用效 应，再将每个振型的作用效应组合成总的地震作用效应进行内力和变形验算。 与底部剪力法

相比，此计算结果的精度已相当高。但它始终未能反映地震动持续时间对结构破坏程度的重 要影响,即便如此，弓 ___________________________________________________________________________

应谱以地震影响系数曲线的形式给出。 弹性时程分析法也叫直接动力法，是对结构物的运动微分方程进行直接积分或振型叠加 求解的一种动力分析方法，弹性时程分析可得到各质点随时间变化的位移、 速度和加速度的

动力反应，从而计算出构件内力的时程变化关系。 它计算模型主要有三种， 对于规则结构可

采用弯剪层模型或平面杆模型， 属于不规则的结构应采用空间结构模型。 目前流行的设计软 4 件以空间结构模型为主， 空间模型是使用杆元、板(壳)元、体元、索元等接触单元建筑的结

构模型，相对而言分析精度较高。 以空间模型建立起来的时程分析法是可以记录结构响应的 全过程，覆盖了结构弹性阶段和弹塑性阶段。 弹性阶段的时程分析法由于结构物本构关系相

对完善，分析的合理性与精确度相对较高 .因此规范把弹性时程分析作为振型分解反应谱法

的一种弹性阶段的补充计算方法。

—的简化的弹塑性分析 •它的基本理论就是沿结构高度

施加按一定形式分布的模拟地震作用的等效侧力， 并从小到大逐步增大， 使结构由弹性逐步

进入弹塑性工作状态，最终达到并超过规定的弹塑性位移。 它能很好的估计结构的整体和局

部弹塑性变形，同时也能反映出弹性过程中的隐患。 但也有一定的局限性与适用性， 对于长

周期结构和高柔的超高层建筑不再适用。

推覆法加载方法示意

弹塑性时程分析则是弹性时程分析的延续， 它记录了结构由弹性阶段到弹塑性阶段结构 构件的内力和变形。正常而言，地震波的峰值反映了建筑物所在地区的烈度， 而其频谱组成

反映了场地的卓越周期和动力特征。 当地震波的作用极其强烈， 而结构的部分构件达到屈服

进入塑性时，时程分析法可通过刚度的变化求出弹塑性阶段的内力和变形。 此时的结构薄弱

层位移也可能过到规范限值。而以上这些需要设计人员有一定的工程经验才能做出准确的判 断，得到有用的结果。即便如此，弹塑性时程分析法弥补了弹性分析的不足，帮助设计人员 找出结构的薄弱部位，让设计人员找出木桶理论中的那块短板，使结构设计更加安全合理。

三. 综上所述，现行规范所推荐的地震作用下的结构分析方法，可以简单的归结为弹性 分析法和弹塑性分析法。也就是以振型分解反应谱法为主导， 弹性时程分析法做内力补充计

算，弹塑性时程分析做罕遇地震下薄弱部位验算的结构分析方法。 当分这三步走很大程度上

保证了结构选型的合理， 构件内力计算的精确，薄弱部位的加强， 结构抗震性能的增大。而

做为现阶段已广泛使用的结构计算设计软件 ，PKPM当中的SATWE与PUShfc EDPA模块提供了

以上两种分析法•

SATW摸块提供的弹性静力分析法 ，是“规范”反应谱的振型分解反应谱方法 •它是通过

求解广义特征值问题从而得到结构的前几阶振型和频率 ，利用“规范”反应谱得到各振型所

对应的地震响应,通过CQC组合方法得到结构的组合地震响应 .

SATWE莫块提供的弹性动力分析法 ,是振型叠加的弹性动力时程分析方法 ,它是利用地

震波时程曲线，通过直接求解结构的二阶动力常微分方程来得到结构在确定地震波作用下的 地震响应• (b)方戎2

侧向掘型加载 < c J方武3 均匀加载 (d )方式4 变振型加載 PUSHc EDPA模块分别提供了弹塑性静力和动力分析方法

四•对于越来越市场化的房屋建造 •当年“适用、安全、经济、美观”这一建筑方针已逐

渐演变为“美观、选用、经济、安全” •安全问题在这种短、平、快的设计思维下被边缘化

而结构设计师在这种大环境下更应该提高认识 ，清醒自己的头脑•毕竟安全是要终身负责的

做此小结，仅以帮助自己和他人理清一下结构计算分析的基本理论与思路 ，从而更好的使用

结构计算软件•以上多有不足之处，敬请同行多多指正•

附：

应采用弹性时程分析法补充计算的建筑 ：

1特别不规则的建筑•不满足高规3.5.2~3.5.6 条规定的高层建筑.

2. 甲类建筑•

3. 抗规表5.1.2-1所列高度范围的高层建筑•

4. 平面投影尺度很大的空间结构 •

5. 复杂高层建筑结构，混合结构和B级高度的高层建筑结构•

应进行弹塑性变形验算的建筑：

1. 8度三四类场地和9度时，高大的单层钢筋混凝土柱厂房的横向排架 •

2. 7~9度时楼层屈服强度系数小于 0.5的钢筋混凝土框架结构框排架结构 •

3. 高度大于150米的结构•

4. 甲类建筑和9度时乙类建筑中的钢筋混凝土结构和钢结构

5•采用隔震和消能减震设计的结构 •

参考文献：

1高层建筑混凝土结构技术规范 JGJ3-2010.北京：中国建筑工业出版社， 2010.

2混凝土结构设计规范 GB50010-2010.北京：中国建筑工业出版社， 2010.

3建筑抗震设计规范 GB50011-2010北京：中国建筑工业出版社， 2010.

4多层及高层建筑结构空间有限元分析与设计软件 用户手册SATEW

北京：中国建筑科学研究院 2011.

合集下载

水平地震作用下框架结构的内力计算抗震设计

水平地震作用下框架结构的内力计算抗震设计

2 抗震设计（水平地震作用下框架结构的内力计算）

抗震计算单元及动力计算简图

取整个衡宇或抗震缝区段（设防震缝时）为计算单元，动力计算简图为串联多自由度体系。即将各楼层重力荷载代表值集中于每一层楼盖或屋盖标高处。

多自由度体系的抗震计算可采用振型分解反映谱法和底部剪力法。本工程总高不超过40m，以剪切变形为主，且质量和刚度沿高度散布比较均匀，近似于单质点体系，故采用底部剪力法。此法是先计算出作用于结构的总水平地震作用，然后将其按必然规律分派给各质点。计算简图2—1 如下示：

图2—1

重力荷载代表值

按照抗震规范1.0.2 抗震设防烈度为6度及以上地域的建筑，必须进行抗震设计。

按照抗震规范5.1.3 计算地震作用时，建筑的重力荷载代表值应取结构和构配件自重标准值和各可变荷载组合值之和。各可变荷载的组合值系数，应按表2—1采用。

组合值系数

表2—1

可变荷载种类 组合值系数

雪荷载

屋面活荷载 不计入

按实际情况计算的楼面活荷载

按等效均布荷计算的楼面活荷载 藏书库、档案库

其它民用建筑

重力荷载代表值计算：

1）屋面及楼面的永久荷载标准值

1．屋面（上人） 苏J01—2005：

a. 10厚防滑地砖铺面，干水泥擦缝，每3—6m留10宽缝

m2

b. 20厚1:水泥砂浆加建筑胶结合层找平层 20×= kN/m2

厚C20细石混凝土，内配Φ4 ＠150双向钢筋 25×= kN/m2

d.隔离层

/

e. 三粘四油沥青油毡防水层 m2

f. 冷底子油一道

/

g. 20厚1:3水泥砂浆找平层 20×= kN/m2 h.保温层 5×= kN/m2

整体结构及单构件的竖向地震作用计算

整体结构及单构件的竖向地震作用计算

整体结构及单构件的竖向地震作⽤计算

刘孝国

中国建筑科学研究院有限公司北京构⼒科技有限公司北京 100013

[摘要] 《建筑抗震设计规范》GB50011-2010（2016版）（以下简称“抗规”）及《⾼层建筑混凝

⼟结构技术规程》JGJ3-2010（以下简称“⾼规”）等规范对于⾼烈度区的⼤跨度结构、⼤悬臂结

构、转换结构及连体结构等，需要进⾏结构竖向地震作⽤分析，两本规范提供了三种计算竖向

地震的⽅法，底部轴⼒法简化算法、反应谱分析⽅法及等效静⼒法。采⽤反应谱法进⾏竖向地

震作⽤分析，计算的结构楼层竖向地震作⽤标准值需要满⾜规范的底线值，不满⾜时需要进⾏

地震作⽤内⼒调整。采⽤三种不同的竖向地震分析⽅法，对⽐简单⼤悬臂框架结构整体计算结

果及构件内⼒结果，不同计算⽅法有较⼤差异。使⽤PKPM软件进⾏竖向地震作⽤分析时，可通

过对局部⼤悬臂、⼤跨度构件单独定义属性为竖向地震构件，对结构局部构件实现竖向地震的

分析及考虑。

[关键词] 竖向地震；底部轴⼒法；反应谱分析；等效静⼒法；局部构件；

0引⾔

结构设计中会遇到⼀些⾼烈度区的⾼层结构、⼤跨度结构及⼤悬臂结构等，按规范要求，这类

结构需要进⾏竖向地震作⽤计算，抗规和⾼规均提出了详细要求。但在竖向地震作⽤计算时，

通常由于两本规范要求不同及不同的竖向地震计算⽅法导致内⼒计算结果差异⼤等原因，存在

各种疑难细节问题。本⽂结合两本规范对竖向地震计算的要求，介绍规范具体细节⽅⾯的差

异，结合设计中常⽤的PKPM结构设计软件，阐释软件中如何实现对结构及单构件的竖向地震作

⽤的计算，并介绍不同的竖向地震作⽤分析⽅法对结构整体及某些构件内⼒的影响。

1抗规对竖向地震作⽤的要求

抗规5.3.1条要求，9度时的⾼层建筑，竖向地震作⽤标准值按图1计算简图，采⽤公式（1）、

（2）确定；楼层的竖向地震作⽤效应可按各构件承受的重⼒荷载代表值的⽐例分配，并宜乘以

增⼤系数1.5。

图1结构竖向地震作⽤计算简图

（1）

（2）

土木工程抗震第3章教案工程结构地震反应分析与抗震验算

土木工程抗震第3章教案工程结构地震反应分析与抗震验算

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：gxmkxxcxm或mtFxxxe/)(22。

杜哈美积分x(t)= tttex0d)(gdd)(sin)(1, mcmk2,2

单自由度体系自由振动：)sincos()(dd000txxtxetxdt。

4、最大反应之间的关系：dvaSSS2

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：FGkGgtxtxSmgggamaxmax)()(

β为动力系数，k为地震系数，α=kβ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；Tg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。已知设防烈度为8度，设计地震分组为二组，Ⅰ类场地；屋盖处的重力荷载代表值G=700kN，框架柱线刚度mkN106.2/4hEIicc，阻尼比为0.05。试求该结构多遇地震时的水平地震作用。

结构地震作用及响应

结构地震作用及响应

结构地震作用及响应

3.1 概 述

使结构产生内力或变形的原因称为“作用”，分为直接作用和间接作用两种。各种荷载（如自重、风载等）属于直接作用，而各种非荷载作用（如混凝土收缩、温度变化、基础沉降等）为间接作用。结构地震反应由地震动导致的结构惯性力引起，因此地震作用属于间接作用。地震作用与一般荷载的区别在于：地震作用不仅与地震动本身有关，而且与结构的动力特性（如自振周期、阻尼等）也有关。

由地震动引起的结构内力、变形及结构运动加速度与速度等统称为结构地震反应。结构抗震设计理论主要包括地震作用的确定和结构抗震计算方法等。地震反应分析和结构抗震理论是近一百年来发展形成的一门新兴学科。由于结构地震反应决定于地震动和结构动力特性，因此，地震反应分析也随着人们对两方面的认识而发展。根据计算理论的不同，地震反应分析理论可划分为静力理论、反应谱理论和动力理论三个阶段。

1）静力理论阶段

日本是世界上最早形成抗震理论并用于抗震设计的国家。由于日本地处环太平洋地震带上，其国土均属于强震区，地震活动频繁，导致日本的抗震研究和理论发展也较早。早在19世纪末期，日本就已开始震害预防研究。20 世纪20 年代，在吸取了日本关东地震和其他地震经验的基础上，大森房吉、佐野利器等即提出静力计算法来近似分析地震反应。

静力理论的基本假设为：①将结构视为刚体；②假设各质点的振动加速度均等于地面运动加速度。结构所受到的地震作用为其质量与地面运动加速度的积，即将结构的自重乘以水平烈度系数来确定水平方向地震作用的最大值，按静力均匀施加于结构的各个部位，进行静力分析。由于该方法考虑质点振动加速度仅与地面运动加速度即烈度相关，所以又称为烈度法。静力法忽略了地震作用与结构动力特性的相关性、结构为非刚性等关键特性，所求出的结构地震作用有较大的误差，仅适用于固有周期极短（T＜0.2 s）的结构。但静力法的产生在工程结构抗震领域具有划时代意义，解决了结构抗震理论从无到有的问题。