《工程结构的地震动输入问题ppt课件.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《工程结构的地震动输入问题ppt课件.ppt（45页珍藏版）》请在三一文库上搜索。
1、工程结构的地震动输入问题 1 抗震结构的地震动输入 2 地震动的工程特性及其描述 3 对现行抗震设计地震动输入的审视 4 地震动工程特性的定量描述与设计地震动参数 5 地震动随机模型 6 输入地震波 抗震分析必须以合理的地震动输入为前提 抗震设计最大的不确定性来自地震动输入 抗震设计理论的发展很大程度上取决于地震动输入 现状 工程应用：地震动输入成为一大难题 理论研究：有必要认真审视地震动输入 1 抗震结构的地震动输入 back 结构地震反应分析方法与地震动输入 确定性地震响应分析基本方法略表 结 构 适 用 方 法 地震动 输 入 基 本 思 路说 明 线 性 时域方法(数值积分法 或时程分
2、析法) 加速度时程 将输入在时域上进行离散，在各时段内的动力问题 处理为拟静力问题，采用逐步积分法求解动力方程 的数值解。积分方法常用线性加速度法、Wilson 法和Newmark 法等。 动力方程可以是增量形式 ，也可以是全量形式。 一般频域方法 加速度时程 (或功率谱) 将输入在频域上进行离散，在各时段内的动力问题 运用广义频域传递函数求解，迭加得出总体响应。 计算繁琐，应用较少。 振型分 解法 一般方法(振 型时程分析 法) 加速度时程 将结构振动特征进行离散，结构的总地震响应表征 为主导振型响应的迭加，各振型的响应可按单自由 度体系采用时域方法或频域方法进行计算。 对具有非粘滞比例阻尼
3、的 工程结构宜采用复模态理 论。 振型分解反 应谱法 弹性 反应谱 将结构振动特征进行离散，结构的总地震最大响应 表征为主导振型最大响应按一定组合原则的迭加， 各振型最大响应根据由反应谱理论确定的地震作用 按静力法计算。 适用范围受结构特性和输 入形式的局限，但仍为最 常用方法之一。 底部剪力法 弹性 反应谱 将结构第一振型的最大响应视为结构的总地震最大 响应，按静力方法求解。 适用范围很有限，属振型 分解法的特例。 非 线 性 时程分析法加速度时程 将输入在时域上进行离散，在各时段内的动力问题 处理为拟静力问题，采用逐步积分法求解动力方程 的数值解。 与线性结构的不同在于结 构动力刚度矩阵的
4、修改。 应用广泛。 简化方法 弹性 反应谱 将按振型分解反应谱法计算得的弹性地震响应，乘 以由统计分析确定的经验比值或放大系数，得出非 线性地震响应。 适用范围极为有限。 等效线性化 方法 加速度时程 根据分析目的、结构特点等按照一定等效原则将非 线性结构等效为线性结构，非线性响应的计算则转 化为线性响应的计算。 关键在于等效线性结构的 确定。存在多种等效原则 。 结构地震反应分析方法与地震动输入 随机性地震响应分析基本方法略表 结 构 适 用 方 法 地震动 输 入 基 本 思 路说 明 线 性 * 振型分解法 地震动随机模 型或时程集系 将结构离散为经典振型，按单自由度体系计算各振 型响应
5、的谱密度函数和相关函数，依振型迭加得出 结构总响应的概率特征。 适用于比例阻尼体系。 非 线 性 摄动法（小参数 法） 将解过程展开为小摄动参数的幂级数，级数的每一 项分别满足一个随机输入各不相同的线性微分方程 ，求解得出响应的概率特征。 常限于小非线性问题。 等效线性化法 同确定性等效线性化法，将非线性方程组用线性方 程组近似等效，等效参数通常由两组方程之差的均 方值为最小通过迭代得出。 近似程度随非线性程度 的增强而变弱。 Markov矢量法和 Fokker-Planck 方 法 视结构状态矢量为Markov矢量过程，求解Fokker- Planck偏微分方程得出过程的转移概率密度函数，
6、进而得出其它统计特征。 为严密解法。适用于激 励缺乏相关性的情形。 Wiener-Hermite 展开式法 将激励和响应展开为Wiener-Hermite级数，由统计 正交性使随机问题化为确定性问题，求解确定性核 函数方程得到响应概率特征。 通常仅计及级数的二阶 项。 线性 或非 线性 统计近似方法地震动加速度 记录集系 依大量同一集系地震波作为输入，采用确定性分析 方法求得各地震波输入下结构的响应，按统计方法 计算结构响应的概率特征。 方法局限性较小，问题 的关键在于随机输入的 处理，是一种实用可行 的方法。 Monte Carlo 法 地震动随机模 型 与统计近似方法相同，仅输入的样本函数
7、由给定的 地震动随机模型采用Monte Carlo 法大量产生。 结构抗震设计的不确定性 结构抗震设计的不确定性 地震动输入的不确定性 结构力学性能及几何性质的不确定性 结构数学计算模型的不确定性 动力响应分析中算法的不确定性 基于某些响应参数进行结构可靠性评判的不确定性 认识 输入的不确定性是支配结构地震响应不确定性的最重要因素 结构材料的力学性能以及几何性质本身具有一定的可变性，这种固有 的不确定性是无法降低的 结构模型化（包括结构动力分析模型和结构恢复力模型的确定）是必 需的，与此有关的不确定性可以通过模型和算法的改进予以降低 迄今为止的各种破坏指标与准则几乎都是在特定加载制度下某种结构
8、 或子结构试验的基础上提出的，还没有一种被广泛接受，当推广应用 到其它的加载形式和不同的结构类型时具有不确定性。 尽管地震动输入所包含的与震源和传播介质的随机性等有关的固有不 确定性不能降低且必须接受，但与地震动模型化及参数的非完备知识 等有关的系统不确定性将随着强震观测数据的日益积累以及地震预测 技术的提高而逐渐降低 back 抗震结构的地震动输入问题 地震动的工程特性 设计 地震动参数 随机模型 工程特性的定量描述 地震动模型化 地震动记录 地震动模拟仿真 时程 输入形式分析方法 振型分解 反应谱法 随机振动 分析方法 时程 分析法 2 地震动的工程特性 传统三要素 幅值特性 频谱特性 持
9、时特性 反应谱 空间相关性 功率谱 峰值 有效峰值 强震持时 多维分量间 不同地点间 不同位置 不同深度 水平与水平 竖向与水平 评 述 back 常见的地震动幅值定义 序号幅值名称幅值定义作者 1峰值加速度PGA 和峰值速度PGV 加速度和速度在时间历程上的最大值 2 有效峰值加速度 EPA和有效峰值 速度EPV EPA=Sa/2.5，EPV=Sv/2.5 Sa为0.10.5秒5%阻尼比加速度反应谱的平均值；Sv为1.0秒附近 （通常为0.82.5秒）5%阻尼比速度反应谱平均值 ATC-3（1978） 3 持续加速度as和持 续速度vs as为加速度时程a(t)中第3、第4或第5个最大幅值（
10、或平均值）；vs 为速度时程v(t)中第3、第4或第5个最大幅值（或平均值） 一般地，as=0.60.7PGA，vs=0.60.7PGV Nuttli（1979） 4 等反应谱有效加 速度ae ae=a/0.90 a为被削峰后的加速度反应谱面积达原时程反应谱面积90%时原加 速度峰值所削到的值 Ohsaki等（1980） 5概率有效峰值按概率分布函数取超越概率小于10%或5%的峰值 Mortgat（1979）； Bolt等（1982） 6静力等效加速度根据地震中简单刚体的倾覆、移动和牛顿第二定律反推的刚体加 速度 7等效简谐振幅 将地震动时程等效为10Hz或20Hz的简谐振动 一般取为0.65
11、PGA Seed等（1971） 8平均振幅 取为地震动时程中前10个大振幅的平均值胡聿贤（1988） 9Arias强度IATR为总持时， g为重力加速度Arias（1969） 10均方根加速度armsTs为强震段持时或等效平稳持时 Mortgat（1979）； Vanmarcke等（1980） 11谱强度SI Sv为阻尼比为的相对速度反应谱，一般取=0或0.2 Housner（1952） back 频谱特性 三种谱表述方法 简要评价 back 三种谱表述方法 傅立叶谱 功率谱 反应谱 back 傅立叶谱 Wi Ai Wi Qi 傅立叶变换 back 反应谱 单自由度弹性体系的地震反应 反应谱的
12、定义 反应谱的性质 反应谱的种类 反应谱的影响因素及规律 back 单自由度弹性体系的地震反应 单自由度弹性体系 运动微分方程 受力分析 恢复力虎克定律 阻尼力瑞雷阻尼 惯性力牛顿第二定律 方程建立达朗贝尔原理 m(x+xg)+cx+kx=0 mx +cx+kx= -mxg x +2ewx+w2x=-xg 运动微分方程的解答 m k c xg(t)xg(t) m(x+xg) cx kx back 运动微分方程的解答 通解（自由振动） 特解（强迫振动）Duhamel 积分 全解=通解+特解 特解 最大反应及简化 三点近似 back Prob? 特解（强迫振动） 输入过程的离散化微脉冲 -xg(T
13、)dT dx(t)=e-ew(t-T)A0coswd(t-T)+B0sinwd(t-T) 冲量作用 前后位移为0： A0=x(T)=0 动量定律：x(T)=-xg(T)dT B0=x(T)+ewx(T)/wd=-xg(T)dT/wd 解答 dx(t)= -xg(T)e-ew(t-T)sinwd(t-T)/wddT x(t)= -1/wdJ0-txg(T)e-ew(t-T)sinwd(t-T)dT backback dT T 反应谱的定义 单自由度弹性体系在给定地震作用下某种反应 量的最大值与体系自振周期之间的关系曲线 Sa(, T1) Sv(, T1) Sd(, T1) xg(t) Duham
14、el 积分 s(t)= f(xg, , T1) Max T1 Ti Sa(, Ti) Sv(, Ti) Sd(, Ti) Duhamel 积分 s(t)= f(xg, , Ti) Max T Sy T1Ti back 反应谱的性质 结构反应特点 低频（长周期）系统 (=10Hz) SaPGA 反应谱性质 反应谱由中频段的放大区和两端 的极限区三部分构成 伪谱的性质 Sa=Sv=2Sd T 高频中频低频 动力放大系数 a=Sa/PGA v=Sv/PGV d=Sd/PGD back What should be the DRS? 反应谱的种类 真谱和伪谱 弹性谱和弹塑性谱 弹塑性谱的种类 延性谱、
15、位移比谱、能量谱、倒塌谱、阻尼耗能谱、累积损伤谱 弹塑性谱的应用 归一化反应谱放大系数谱 平均反应谱与设计反应谱 设计反应谱的标定 其他 对结构动力行为和反应物理量的延伸 基底剪力系数谱、最大反应时刻谱 着眼于设计反应谱的估计与标定 三参数标定设计反应谱 标准反应谱 一致危险性反应谱 back 反应谱的影响因素及规律 地震动方面 震级 震级越大，长周期成分越丰富，反应谱峰点周期越后移 震中距 震级越大，长周期成分越丰富，反应谱峰点周期越后移 场地 场地越软，峰值越大，反应谱峰点周期越后移 结构方面 阻尼比 阻尼比越大，反应越小，曲线越平滑 结构周期 三段特性 back 持时特性 一般特征 多种
16、定义 简要评价 back 持时的多种定义 记录持时 由加速度绝对幅值控制的括号持时（Bracketed Duration） 由加速度相对幅值控制的分数持时（Fractional Duration） 由地震动相对能量控制的相对持时 等效平稳持时 累积均方根持时 能量矩持时 由地震动绝对能量和相对能量综合控制的持时 工程持时 反应持时（Response Duration）反应谱值超 过某给定值的累积时间和 屈服工程持时 back 对地震动工程特性的评述 指标问题 工程应用：重要性；简单性；统计性；客观性 仿真分析：全面性；统计性；客观性 主要结论 传统三要素并非总是足够 频率非平稳问题瞬时共振现象
17、 基于传统三要素的人造波不十分“象”实际记录 控制地面运动特征并非一成不变 线性结构幅值和频谱；非线性结构地震动细节 空间扩展系统地震动空间相关性（多维/多点输入） 试图用简单的一两个参数描述地震动是注定要失败的 幅值：哪一种幅值都不足以估计地震动的破坏 哪一种单一的地震动参数都不足以估计地震动的破坏势 必须注意到工程应用的需要 back 3 对现行抗震设计地震动输入的审视 设计地震动参数 PGA和反应谱：对传统特性反映不充分 大小震反应谱关系 多维输入 传统特性是否足够 同一结构在相同集系人造波的反应差别太大 输入地震波 规范笼统：无视地震环境，均选用少数著名记录 back 4 地震动工程特
18、性的定量描述 与设计地震动参数 强度特性 强度包线函数 曲线模型 曲线估计能量逼近 统计特征衰减规律 频率特性 反应谱长周期特性 反应谱的阻尼比修正 频率非平稳特性 多维相关性 back 强度包线函数 back 并非简单意义的峰值包络函数，而更应理解为地震波的标准差函数 强度包线函数模型 back 曲线估计能量逼近 back 衰减规律持时（T90、T70） Next 衰减规律TS、c back 频率特性 反应谱 长周期 阻尼比修正 大小震反应谱 频率非平稳 客观实在及显著性 描述方法 统计规律 back 长周期反应谱特性 理论 T，Sd=PGD( Sa=2Sd) SaT-2 统计特征 back
19、 大小震反应谱理论推导 Next 大小震反应谱 基于地震危险性分析结果的近似估算 结 论 度区不考虑调整； 和度区类场地取1.2Tg小，其它场地取1.1Tg小。 简单地：和度区取为Tg大=Tg小+0.05 Next 大小震反应谱带来的问题 max 0.45max 0.1 Tg 5Tg 6.0 选波，弹性时程分析 选波，弹塑性时程分析 与其他方法对比 ？ 地震波 不同？ back 频率非平稳客观实在及显著性 分析用的地震波分组及其累积穿零次数 序号原始记录O持时 (s) 总累积穿零次数 台站名称地震名称日期分量OA-1A-2 El Centro, CaliforniaImperial Valle
20、y1940.5.18S00E53.7321452386 Olympia, WashingtonWestern Washington1949.4.13N04E89.0452786718 8244 OrionSan Fernado1971.2. 9N00E59.5245341306 15250 VenturaSan Fernado1971.2. 9N11E40.3219284236 Pacoima DamSan Fernado1971.2. 9S16E41.8420404405 Pacoima DamSan Fernado1971.2. 9S74E41.7452421389 back 频率非平稳统
21、计特性 back 相关特性 峰值 双向水平 水平与竖向 强度非平稳特性 模型参数 频率非平稳特性 三维相关设计反应谱 back 峰值相关性双向水平 YYhs/Yhl 变化范围均值标准差变异系数 PGA0.201.000.7750.1560.201 PGV0.173.180.8880.3480.392 PGD0.038.801.0060.5980.594 T0.315.021.1610.4460.385 AL0.138.331.0990.6220.566 back 峰值相关性水平与竖向 back 三维相关设计反应谱 back 5 地震动随机模型 随机过程 平稳模型 非平稳模型 强度非平稳 强度和频率非平稳 ARMA模型差分模型 合理的平稳频域模型 类型：一次滤波；多重滤波 条件 能量有限高频条件 零频含量消除低频条件 back 随机过程 back 地震动功率谱 线性系统频率 响应函数的一 般表达式 地震动功率谱 模型的若干形 式 一次滤波形 式的功率谱 模型 多重滤波形 式的功率谱 模型 串联 并联 back 6 输入地震波 地震波来源 实际地震波记录数据库 真实、有限、不均 人造地震波 无限、代表性、统计性 选波问题 控制指标统计意义相符 双频段选波 样本容量 “3+1”“2+1” back Thank you for your attention.