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底部剪力法/反应谱法/时程分析法一些有用的概念

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发表于 2013-8-28 00:26:51 | 显示全部楼层 |阅读模式
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。HiStruct在此简单的总结一些,全当抛砖引玉。

1. 底部剪力法
高规规定:高度不超过40m、以剪切变形为主且质量和刚度沿高度分布比较均匀的高层建筑结构,可采用底部剪力法。底部剪力法适用于基本振型主导的规则和高宽比很小的结构,此时结构的高阶振型对于结构剪力的影响有限,而对于倾覆弯矩则几乎没有什么影响,因此采用简化的方式也可满足工程设计精度的要求。底部剪力法尚有一个重要的意义就是我们可以用它的理念,简化的估算建筑结构的地震响应,从而至少在静力的概念上把握结构的抗震能力,它还是很有用的。

2. 反应谱方法
高规规定:高层建筑结构宜采用振型分解反应谱法。对质量和刚度不对称、不均匀的结构以及高度超过100m的高层建筑结构应采用考虑扭转耦联振动影响的振型分解反应谱法。反应谱的振型分解组合法常用的有两种:SRSS和CQC。虽然说反应谱法是将并非同一时刻发生的地震峰值响应做组合,仅作为一个随机振动理论意义上的精确,但是从实际上它对于结构峰值响应的捕捉效果还是很不错的。一般而言,对于那些对结构反应起重要作用的振型所对应频率稀疏的结构,并且地震此时长,阻尼不太小(工程上一般都可以满足)时,SRSS是精确的,频率稀疏表面上的反应就是结构的振型周期拉的比较开;而对于那些结构反应起重要作用的振型所对应的频率密集的结果(高振型的影响较大,或者考虑扭转振型的条件下),CQC是精确的。这是因为对于建筑工程上常用的阻尼而言,振型相关系数(见高规3.3.11-6)在很窄的范围内才有显著的数值。

3.反应谱分析的精确性
对于采用平均意义上的光滑反应谱进行分析而言,其峰值估计与相应的时程分析的平均值相比误差很小,一般只有百分之几,因此可以很好的满足工程精度的要求,正是在这个平均(普遍性)意义上,我们认为反应谱分析方法是精确的。但是对于单个锯齿形的反应谱而言,其分析结果与单个波的时程分析,误差可以达到10-30%之间,因此在个别(特殊性)意义上而言,反应谱分析结果是有误差的,因此,规范规定对于复杂的或者高层建筑需要采用时程分析进行补充计算和验证。

4.反应谱分析与时程分析对于高阶振型计算的不同之处
一般反应谱的高频段是采用平台段来表达的,实际上对于高阶振型反应不显著的结构而言,反应谱适用性很好,也足够准确。但是对于高柔结构而言,一般高阶振型的影响比较显著,采用时程分析的时候,等于其高频段的峰值并未被人为削成平台段,因此采用时程分析的时候此频段的地震响应可能很大,一般表现为高层建筑的顶部或者对其他结构对高阶振型影响显著部位,其地震响应峰值比反应谱分析结果要大(但是总体的剪力和弯矩差别则没这么明显)。

5.时程分析
理论上时程分析是最准确的结构地震响应分析方法,但是由于其分析的复杂性,且地震波的随机性,因此一般只是把它作为反应谱的验证方法而不是直接的设计方法使用。高规规定:
3 7~9度抗震设防的高层建筑,下列情况应采用弹性时程分析法进行多遇地震下的补充计算:
1)甲类高层建筑结构;
2)表3.3.4所列的乙、丙类高层建筑结构;
3)不满足本规程第4.4.2~4.4.5条规定的高层建筑结构;
4)本规程第10章规定的复杂高层建筑结构;
5)质量沿竖向分布特别不均匀的高层建筑结构。
3.3.5 按本规程第3.3.4条规定进行动力时程分析时,应符合下列要求:
1 应按建筑场地类别和设计地震分组选用不少于二组实际地震记录和一组人工模拟的加速度时程曲线,其平均地震影响系数曲线应与振型分解反应谱法所采用的地震影响系数曲线在统计意义上相符,且弹性时程分析时,每条时程曲线计算所得的结构底部剪力不应小于振型分解反应谱法求得的底部剪力的65%,多条时程曲线计算所得的结构底部剪力的平均值不应小于振型分解反应谱法求得的底部剪力的80%。
2 地震波的持续时间不宜小于建筑结构基本自振周期的3~4倍,也不宜少于12s,地震波的时间间距可取0.01s或0.02s;
  
4 结构地震作用效应可取多条时程曲线计算结果的平均值与振型分解反应谱法计算结果的较大值。

HiStruct提醒大家需要注意以下几点:
A,选波的时候不仅与场地的情况有关,也与结构的动力特性有关,这样才能选出适合的地震波。
B,双向地震分析的时候主次向应该采用不同的地震波。
C,可适当调整地震波的峰值以满足规范的要求,但是不能调整太大,那样可能导致地震波与抗震设防水平和场地不适合。
D, 所谓“在统计意义上相符”指的是,其平均地震影响系数曲线与振型分解反应谱法所用的地震影响系数曲线相比,在各个周期点上相差不大于 20%。
  
  
  1.对于层数较底,结构简单的建筑可以使用底部剪力法(静力分析)
2.对于结构平面复杂,竖向刚度不均的高层或疑难结构根据抗震规范应采用时程
   分析.和反映谱分析的两个结果取其不利的内力.
3.除上面以外的建筑结构,用反映谱分析.
   
   
  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。

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