浅议耗能减震结构体系研究和抗震设计方法

《浅议耗能减震结构体系研究和抗震设计方法》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在行业资料-天天文库。

1、浅议耗能减震结构体系研究和抗震设计方法　　摘要：介绍了耗能减震结构体系的分析与抗震设计方法，包括基于性能的抗震设计思路、能量分析法、基于等价线性化的振型分解法以及时程分析法。从结构特性、恢复力模型及结构时程分析计算模型的选用，结构总体刚度矩阵、质量矩阵与阻尼矩阵的组建，以及地震波的选用与调整对时程分析法做了详细的论述。关键词：耗能减震；振型分解法；时程分析法中图分类号：TQ336.4+2文献标识码：A文章编号：建筑物通常在其主体结构的单斜支撑、交叉支撑或人字型支撑上安装耗能减震元件或耗能器形成耗能减震结构体系。耗能减震结构采用“二阶段”的抗震设

2、计方法：第一阶段，在小震作用下，耗能减震装置及主体结构基本处于弹性状态，且耗能装置给主体结构提供足够的附加刚度使耗能减震体系满足正常使用要求，即满足第一水准要求；第二阶段，在中震和大震作用下，输入结构体系的能量可通过耗能装置的往复作用或产生滞回变形来消耗，迅速衰减结构的动力反应，避免主体结构过早进入明显的非弹性状态从而达到保护主体结构的目的，即满足第三水准的要求。1.基于性能的抗震设计思路9目前，具有代表性的设计方法有美国在FEMA中提出的基于位移的设计方法和日本2000版的抗震规范以及Cavil与Priestley等人提出的基于位移的设计方法

3、。但研究人员从近些年来发生的地震中调查和研究发现，结构的地震损伤（或破坏）不仅与建筑物的层间位移密切相关，而且与地震过程中累积的滞回耗能有很大关系，因此，以位移和能量同时作为结构抗震性能的指标，可较全面综合地评估结构抗震性能。但由于高振型与静力加载模式的影响，以及延性与当量阻尼的关系等方面还需进一步深入研究，使得基于性能的抗震设计到目前为止仅局限在概念阶段，没有得以发展。2.能量分析法耗能减震的原理可以从能量角度描述，在地震过程中结构体系内部能量的消耗、转换和存储必须与输入耗能减震结构体系的能量相平衡，结构在地震中任意时刻的能量方程如式(2.1

4、)及式(2.2)：对于传统抗震结构：(2.1)对于耗能减震结构：(2.2)式中——地震过程中输入传统结构、耗能减震结构体系的总能量；——传统结构、耗能减震结构体系的弹性应变能；9——传统结构、耗能减震结构体系的动能；——传统结构、耗能减震结构体系的粘滞阻尼耗能；——传统结构、耗能减震结构体系的滞回耗能；——耗能装置（或元件）的耗能。在(2.1)与(2.2)两方程中和并不消耗能量，只是能量的转换，和可忽略不计，因为其仅占总能量很少部分（约为5%）。在传统抗震结构中，主要通过消耗输入到结构中的地震能量，因此，结构构件消耗的能量越多，其本身遭到损伤或

5、破坏就越严重；而对于耗能减震结构，耗能减震器（元件）充分发挥耗能作用，在主体结构进入非弹性状态前率先进入耗能状态，耗散大量的地震能量，而结构本身耗散的能量很少，即可近似认为地震能量全部由耗能减震装置耗散或吸收，则方程(2.2)可简化为[1]：(2.3)这样，忽略了其它因素的影响，既简化了计算，也使结构的安全储备得以提高。3.基于等价线性化的振型分解法9工程抗震设计时，我们仅关心各质点反应的最大值，可结合运用单自由度体系的反应谱理论，按式(2.4)求得对应于第振型各质点的最大水平地震作用及所产生的作用效应（位移、轴力、剪力、弯矩等），再将对应于各

6、振型的作用效应进行组合，从而求得多自由度体系在水平地震作用下产生的效应。质点对应的第振型水平地震作用：(2.4)式中，为质点的质量，为第振型参与系数，为质点第振型的位移反应，为地面运动加速度时程记录，为第振型单自由度体系的加速度反应。由式(2.4)可得(2.5)令(2.6)为对应于第振型自振周期为的单自由度体系的地震影响系数，可根据单自由度体系的地震影响系数确定。从而，对应于第振型质点的最大地震作用为：(2.7)利用规范给出的曲线，按式(2.7)可方便地求出对应于某一振型各质点的最大地震作用，再按照一般的结构力学方法可求得结构对应于各振型的地震

7、作用效应（位移、轴力、剪力、弯矩等）。根据随机振动理论，如假定地震时地面运动为平稳随机过程，则对于各平动振型产生的地震作用效应可近似地采用“平均和开方”法（SRSS法）确定，即(2.8)9式中，S为结构某处总的地震作用效应，而Sj为对应于第j振型该处结构的地震作用效应。在多遇地震情况下，采用振型分解反应谱方法进行分析是结构抗震计算的主要方法，它将地震作用等效为水平力作用到结构上，然后按照静力学方法进行计算分析，属于静力分析方法。这种计算方法与实际地震反应有一定的差距，不一定能确保结构在地震作用下的安全性，只有在等效阻尼比不是特别大时才能保证所计

8、算的地震反应具有良好精确度。4.时程分析法4.1时程分析法的概述时程分析法是一种动力分析方法，它将整个结构体系看作一个弹性振动体，将地震时地面运动产生