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1、第4期建筑结构1997年4月结构抗震设计的能量分析方法研究述评’白绍良黄宗明肖明葵(重庆建筑大学建工学院630045)【提要1,近十余年来关于能量分析方法在结构抗震设计中的应用间题受到国内外地犀工程界的普遍关注,被认为是今后结构抗震设计理论的发展方向。本文从结构抗震设计中的地面运动输入及其参数的选取、结构地震响应分析、结构地震破坏状态评估和具体设计方法等四个方面,对能量分析方法的研究。现状进行了综合分析和评述〔关健询]能量分析方法结构抗震设计破坏准则、一、前言二结构地展反应能t分析方法的基本概念为叙述方便,首先以单
2、自由度体系来说明问题。一般结构抗震设计方法的研究主要包括以下四:1)设计地晨作用的确定方式及设计粘滞阻尼单自由度体系在地面运动加速度作用个方面的内容:,地面运动参数的选取;即下的运动微分方程为2)结构地震反应分析方法t+二‘t+r“一t如何分析结构在地震地面运动作用下的各种效应;丫()(4夸/T)X()(X)丫()(1),;3)结构地震破坏评估,研究结构的破式中X(t)为质点相对于地面的位移T为体系的坏状态与各种;;r;4)提出合理、。无阻尼自振周期g为阻尼比(X)为单位质量的效应之间的关系方便的设计方法制。恢;复
3、力丫(t)为地面运动加速度约以上四个方面的核心间题是选用哪些结构效应指1.,以相对位移定义的能量反应标来描述和评价结构物受地震作用后的破坏程度,:X得这一直是结构抗震研究中最重要的课题之。取式(1)两端对质点相对位移的积分一,+··+·,xdx(4:/T)xdx‘X,‘X长期以来人们采用结构最大位移反应或位移几几几延性反应单一指标进行结构地震破坏评估,在结构犷dx一a几(Z)抗震设计中采用弹性设计反应谱或非弹性设计反应式中,左端三项依次为以相对位移为基础的单位质,,谱确定地震作用非弹性设计反应谱由弹性设计反量动能E
4、k(t)单位质量阻尼耗能Ed(t)及单位质。应谱乘以与位移延性相关的折减系数得到。这种设量滞回耗能与弹性应变能之和Eh(t)+E(t);右端计方法基本上没有能够反映地震动持续时间对结构项为单位质量总输入能it。E()也有人将滞回耗能,,。。破坏的影响无论是在输入地面运动的强度方面还和弹性变能之和称为系统的吸收能E(t)在任意,,,是在结构或构件的抗震承载能力方面都无法对许t系统的总输入能与其它能量之和相平衡即时刻多实。际震害现象作出合理的解释相对能量方程为,‘s随着结构抗震理论研究的深入目前对结构地E(i)二Ek(
5、t)+Ed(r)+Eh(t)+E(t)(Zb)展破坏比较一致的看法是,基于最大位移反应首次2.以绝对位移定义的能量反应十,:超越和塑性累积损伤的双重破坏准则比较符合展害取式(1)两端对质点绝对位移XY积分得’(二+d(x+Y)+(4·:‘T)X‘X。,二)和试验实际在这一准则中研究人员建议采用能芡芡‘,+·(二一·+·量耗散来描述结构的塑性累积损伤并认为结构能x)dx〔“:‘T,X‘X,,‘Y、,{;J;量反应及其转化形式简单计算方便又能够较好地a(3)反映地震动的强度、频谱特性,特别是强震持续时间式中左端三项依次
6、为以绝对位移为基础的单位质量。,,对结构破坏的综合影响因此结构地震反应能量动能E二(,)单位质量阻尼耗能E二(,)以及单位质分析方法日益受到国际地震工程研究的重视,正在。二。向着实用化的设计方法方向发展本项目研究获国家自然科学基金资助泛4量滞回耗能与弹性应变能之和E云(i)+E二(t);右端由于。:t一、t=2t+‘t‘t为单位质量总输入能E百(t)于是式(3a)可写为E孟()E()丫()/2x()Y()(9),E扩(t)=E孟(r)+E二(t)+E孟(r)+E;(t)(3b)式中包含有速度反应项因此很难对两种定义
7、的输式。。(3)被称为绝对能量方程入能之间的差别作出定量的估计但由于滞回耗能3.不同能量反应定义的区别和联系和阻尼耗能是随着时间累积的,对于非弹性分析,动,。rt〔‘4〕当体系质量为m时以上定义的各能量由相应能在总输入能中的比例很小uang和压ero的..,,,的单位质量能量乘以m得到即各能量反应与质量研究指出当结构周期T在03一05秒范围内时。,,。,成正比因此分析中常取用单位质量的能量以消两种不同定义的输入能差别很小可以忽略另外。、,除质量的影响由式(2)(3)知两种不同定义的阻研究结构地震能量反应的最主要的目
8、的是考察结构尼耗能、滞回耗能与弹性应变能完全相同。阻尼耗的塑性累积破坏效应和地面运动强震持续时间的影,,一能是阻尼力位移曲线所围的面积其物理意义为响对于总输入能的研究最终要落实到滞回耗能上。,。;质点运动过程中阻尼所作的功滞回耗能和弹性应来因此在实用中采用两种能量定义都是可以的,一变能之和为恢复力位移曲线所围的面积代表质由于在计算以绝对位移为基础定义的动能和
