抗震結(jié)構(gòu)論文

1、抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)課程論文班級(jí)：大禹力學(xué)姓名：任 江 濤學(xué)號(hào)：1119020115任課老師：張旭明第一章 地震與地震災(zāi)害1.1地震地震是地殼快速釋放能量過程中造成的震動(dòng)，期間會(huì)產(chǎn)生地震波，其中地震波又分為S波及P波。地震可由地震儀所測(cè)量，地震的震級(jí)是用作表示由震源釋放出來的能量，通常以“里氏地震規(guī)?！眮肀硎?；烈度則透過“修訂麥加利地震烈度表”來表示，某地點(diǎn)的地震烈度是指地震引致該地點(diǎn)地殼運(yùn)動(dòng)的猛烈程度，是由震動(dòng)對(duì)個(gè)人、家具、房屋、地質(zhì)結(jié)構(gòu)等所產(chǎn)生的影響來斷定。地震類型按地震形成的原因分類可分為：構(gòu)造地震、火山地震、陷落地震、誘發(fā)地震、人工地震。在地球內(nèi)部傳播的地震波稱為體波，分為縱波和橫波。振動(dòng)方向

2、與傳播方向一致的波為縱波（P波），傳播速度較快，到達(dá)地面時(shí)人感覺顛動(dòng)，物體上下跳動(dòng)，來自地下的縱波引起地面上下顛簸振動(dòng)。振動(dòng)方向與傳播方向垂直的波為橫波（S波），傳播速度比縱波慢，到達(dá)地面時(shí)人感覺搖晃，物體會(huì)來回?cái)[動(dòng)。來自地下的橫波能引起地面的水平晃動(dòng)。由于縱波在地球內(nèi)部傳播速度大于橫波，所以地震時(shí)，縱波總是先到達(dá)地表，而橫波總落后一步。這樣，發(fā)生較大的近震時(shí)，一般人們先感到上下顛簸，過數(shù)秒到十幾秒后才感到有很強(qiáng)的水平晃動(dòng)。橫波是造成破壞的主要原因。當(dāng)體波到達(dá)巖層界面或地表時(shí)，會(huì)產(chǎn)生沿界面或地表傳播的幅度很大的波，稱為面波。面波傳播速度小于橫波，所以跟在橫波的后面。分為勒夫波和瑞利波。震級(jí)是地

3、震大小的一種度量，根據(jù)地震釋放能量的多少來劃分，用“級(jí)”來表示。同樣大小的地震，造成的破壞不一定相同；同一次地震，在不同的地方造成的破壞也不同?？茖W(xué)家用地震烈度來衡量地震破壞程度。1.2地震災(zāi)害地震災(zāi)害是指由地震引起的強(qiáng)烈地面振動(dòng)及伴生的地面裂縫和變形，使各類建（構(gòu)）筑物倒塌和損壞，設(shè)備和設(shè)施損壞，交通、通訊中斷和其他生命線工程設(shè)施等被破壞，以及由此引起的火災(zāi)、爆炸、瘟疫、有毒物質(zhì)泄漏、放射性污染、場(chǎng)地破壞等造成人畜傷亡和財(cái)產(chǎn)損失的災(zāi)害。地震災(zāi)害分為直接地震災(zāi)害和地震次生災(zāi)害，地震的直接災(zāi)害是指由于地震破壞作用（包括地震引起的強(qiáng)烈振動(dòng)和地震造成的地質(zhì)災(zāi)害）導(dǎo)致房屋、工程結(jié)構(gòu)、物品等物質(zhì)的破壞；

4、地震次生災(zāi)害是指由于強(qiáng)烈地震造成的山體崩塌、滑坡、泥石流、水災(zāi)等威脅人畜生命安全的各類災(zāi)害。地震次生災(zāi)害大致可分為兩大類：一是社會(huì)層面的，如道路破壞導(dǎo)致交通癱瘓、煤氣管道破裂形成的火災(zāi)、下水道損壞對(duì)飲用水源的污染、電訊設(shè)施破壞造成的通訊中斷，還有瘟疫流行、工廠毒氣污染、醫(yī)院細(xì)菌污染或放射性污染等；二是自然層面的，如滑坡、崩塌落石、泥石流、地裂縫、地面塌陷、砂土液化等次生地質(zhì)災(zāi)害和水災(zāi)，發(fā)生在深海地區(qū)的強(qiáng)烈地震還可引起海嘯。第二章 結(jié)構(gòu)動(dòng)力分析2.1能量法求自振頻率2.1.1瑞利能量法根據(jù)能量守恒定律，若忽略結(jié)構(gòu)在振動(dòng)過程中的能量散失。當(dāng)系統(tǒng)距平衡位置有最大位移的瞬時(shí)，其動(dòng)能T等于零，而應(yīng)變能具

5、有最大值。反之，在系統(tǒng)經(jīng)過平衡位置的瞬時(shí)，動(dòng)能具有最大值，而應(yīng)變能V則等于零。則可以由得到?jīng)Q定頻率的方程。設(shè)系統(tǒng)中任一質(zhì)體的運(yùn)動(dòng)方程為，則可得其頻率為：，稱為瑞利商。通常振動(dòng)形狀是事先不知道，所以瑞利法只能求得近似解。通常計(jì)算中，采用作用于結(jié)構(gòu)上靜荷載產(chǎn)生的撓曲線作為振型，這樣所得的結(jié)果近似于結(jié)構(gòu)的第一階振型。還可以用外力做功的數(shù)值代替系統(tǒng)應(yīng)變能的數(shù)值，對(duì)于既有分布質(zhì)量又有集中質(zhì)量時(shí)，計(jì)算特別方便。外力所做功的最大值為動(dòng)能最大值為則得到頻率為2.1.2李茲（Ritz）能量法瑞利法求解精度取決于假設(shè)振型精度，通常只能求得振型基頻的上限。Ritz給出級(jí)數(shù)形式的振型為，式中，為滿足位移邊界條件的函數(shù)

6、，而，則為待定參數(shù)。得到瑞利商為引進(jìn)下列記號(hào)則，通過適當(dāng)選擇系數(shù)，使值為最小，根據(jù)頻率為駐值的條件得或，方程系數(shù)行列式為零得，展開求得n個(gè)頻率，將其代入方程即可求得一組系數(shù)。這樣可以得到系統(tǒng)前n個(gè)自振頻率和振型函數(shù)的近似解。2.2冪法計(jì)算自振頻率和振型2.2.1最低階頻率和振型的計(jì)算將方程左乘，得，循環(huán)迭代、拉平直到得到的前后兩次頻率和振型相同或近乎相同的數(shù)值為止，這樣得到的頻率和振型就是系統(tǒng)的最低自振頻率和相應(yīng)的振型。2.2.2最高階頻率和振型的計(jì)算，采用與上相同的迭代，可以求得最高階的自振頻率和相應(yīng)的振型。2.2.3高階頻率和振型的計(jì)算將寫成標(biāo)準(zhǔn)形式為，假設(shè)的振型為各階振型的疊加，即，如果

7、在假設(shè)振型中，不含第一階振型的分量，然后反復(fù)迭代的結(jié)果將收斂于第二階振型。這樣在求得第一階振型后，利用振型的正交關(guān)系清除掉假設(shè)振型的第一階分量，然后迭代求得第二階振型。依此類推可以求得若干階振型。2.3子空間迭代法瑞利-李茲法的矩陣形式瑞利方法：對(duì)于給定自振頻率和振型，則n個(gè)自由度系統(tǒng)的最大動(dòng)能和最大勢(shì)能分別為：，有能量守恒得李茲法：設(shè)對(duì)前s階振型選s個(gè)假設(shè)的規(guī)準(zhǔn)化向量，并令假設(shè)振型是這s個(gè)向量的線性疊加，即，代入瑞利法中得，為了得到最佳逼近，可以通過選擇使求得的頻率最小。由瑞利商為駐值條件得：，問題又歸結(jié)為新的特征值問題，這樣可以求解每個(gè)自振頻率和近似振型。子空間迭代法選取s個(gè)最大模為1的n

8、維向量作為系統(tǒng)前s階振型矩陣的零次近似，然后第一次迭代，把系統(tǒng)前s階振型矩陣的一次近似表示為線性疊加，Z為系數(shù)矩陣，由李茲法可知，可求得s階自振頻率和對(duì)應(yīng)的待定系數(shù)矩陣，然后求得前階振型的第一次近似值，再用其進(jìn)行迭代，循環(huán)李茲法冪法，求得前s階自振頻率和振型近似值。第三章 反應(yīng)譜法反應(yīng)譜是在特定的地震波作用下，單自由度體系的某一響應(yīng)量值與自振周期的關(guān)系曲線。振型分解反應(yīng)譜法是用來計(jì)算多自由度體系地震作用的一種方法。該法是利用單自由度體系的加速度設(shè)計(jì)反應(yīng)譜和振型分解的原理，求解各階振型對(duì)應(yīng)的等效地震作用，然后按照一定的組合原則對(duì)各階振型的地震作用效應(yīng)進(jìn)行組合，從而得到多自由度體系的地震作用效應(yīng)。

9、假設(shè)有一組n個(gè)自振周期各不相同，而阻尼比相同的單自由度系統(tǒng)，在某一給定的地震加速度作用下，各個(gè)系統(tǒng)的最大絕對(duì)加速度響應(yīng)為, 稱為絕對(duì)加速度反應(yīng)譜，用同樣的方法可以得到相對(duì)速度反應(yīng)譜。令準(zhǔn)速度反應(yīng)譜為則相對(duì)位移反應(yīng)譜和絕對(duì)加速度反應(yīng)譜可分別表示為，而準(zhǔn)速度反應(yīng)譜與其真速度反應(yīng)譜的差別一般并不大，可以用其代替。則由地震慣性力的最大絕對(duì)值，即地震荷載為，即可以通過某次地震加速度反應(yīng)譜求出相應(yīng)的地震荷載。不同的地震其主要差別是烈度不同，其他因素將是相近的。則地震荷載可以表示為：其中稱為地震烈度，用K表示，可以通過地震烈度查出相應(yīng)的K值。稱為動(dòng)力系數(shù)，它表示結(jié)構(gòu)最大加速度是地面最大加速度的倍數(shù)。 在實(shí)際

10、的結(jié)構(gòu)抗震計(jì)算中，為了彌合理論計(jì)算與客觀實(shí)際的差距，在地震荷載計(jì)算公式中乘上一個(gè)系數(shù)C，C稱為綜合影響系數(shù)。則地震荷載計(jì)算公式為第四章 時(shí)程分析時(shí)程分析法對(duì)工程的基本運(yùn)動(dòng)方程，輸入對(duì)應(yīng)于工程場(chǎng)地的若干條地震加速度記錄或人工加速度時(shí)程曲線，通過積分運(yùn)算求得在地面加速度隨時(shí)間變化期間結(jié)構(gòu)的內(nèi)力和變形狀態(tài)隨時(shí)間變化的全過程，并以此進(jìn)行結(jié)構(gòu)構(gòu)件的截面抗震承載力驗(yàn)算和變形驗(yàn)算。它與底部剪力法和振型分解反應(yīng)譜法的最大差別是能計(jì)算結(jié)構(gòu)和結(jié)構(gòu)構(gòu)件在每個(gè)時(shí)刻的地震反應(yīng)(內(nèi)力和變形)。當(dāng)用此法進(jìn)行計(jì)算時(shí)，系將地震波作為輸入。一般而言地震波的峰值應(yīng)反映建筑物所在地區(qū)的烈度，而其頻譜組成反映場(chǎng)地的卓越周期和動(dòng)力特性。

11、當(dāng)?shù)卣鸩ǖ淖饔幂^為強(qiáng)烈以至結(jié)構(gòu)某些部位強(qiáng)度達(dá)到屈服進(jìn)入塑性時(shí)，時(shí)程分析法通過構(gòu)件剛度的變化可求出彈塑性階段的結(jié)構(gòu)內(nèi)力與變形。這時(shí)結(jié)構(gòu)薄弱層間位移可能達(dá)到最大值，從而造成結(jié)構(gòu)的破壞，直至倒塌。作為高層建筑和重要結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)的一種補(bǔ)充計(jì)算，采用時(shí)程分析法的主要目的在于檢驗(yàn)規(guī)范反應(yīng)譜法的計(jì)算結(jié)果、彌補(bǔ)反應(yīng)譜法的不足和進(jìn)行反應(yīng)譜法無法做到的結(jié)構(gòu)非彈性地震反應(yīng)分析。時(shí)程分析法的主要功能有：1)校正由于采用反應(yīng)譜法振型分解和組合求解結(jié)構(gòu)內(nèi)力和位移時(shí)的誤差。特別是對(duì)于周期長達(dá)幾秒以上的高層建筑，由于設(shè)計(jì)反應(yīng)譜在長周期段的人為調(diào)整以及計(jì)算中對(duì)高階振型的影響估計(jì)不足產(chǎn)生的誤差。2)可以計(jì)算結(jié)構(gòu)在非彈性階段的地震

12、反應(yīng)，對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行大震作用下的變形驗(yàn)算，而確定結(jié)構(gòu)的薄弱層和薄弱部位，以便采取適當(dāng)?shù)臉?gòu)造措施。3)可以計(jì)算結(jié)構(gòu)和各結(jié)構(gòu)構(gòu)件在地展作用下每個(gè)時(shí)刻的地震反應(yīng)(內(nèi)力和變形)，提供按內(nèi)力包絡(luò)值配筋和按地震作用過程每個(gè)時(shí)刻的內(nèi)力配筋最大值進(jìn)行配筋這兩種方式?？偟膩碚f，時(shí)程分析法具有許多優(yōu)點(diǎn)，它的計(jì)算結(jié)果能更真實(shí)地反映結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)，從而能更精確細(xì)致地暴露結(jié)構(gòu)的薄弱部位。4.1擬靜力法擬靜力法是一種用靜力學(xué)方法近似解決動(dòng)力學(xué)問題的簡(jiǎn)易方法，它發(fā)展較早，迄今仍然被廣泛使用。其基本思想是在靜力計(jì)算的基礎(chǔ)上，將地震作用簡(jiǎn)化為一個(gè)慣性力系附加在研究對(duì)象上，其核心是設(shè)計(jì)地震加速度的確定問題。該方法能在有限程度上反映荷

13、載的動(dòng)力特性，但不能反映各種材料自身的動(dòng)力特性以及結(jié)構(gòu)物之間的動(dòng)力響應(yīng)，更不能反映結(jié)構(gòu)物之間的動(dòng)力耦合關(guān)系。但是，擬靜力法的優(yōu)點(diǎn)也很突出，它物理概念清晰，與全面考慮結(jié)構(gòu)物動(dòng)力相互作用的分析方法相比，計(jì)算方法較為簡(jiǎn)單，計(jì)算工作量很小、參數(shù)易于確定，并積累了豐富的使用經(jīng)驗(yàn)，易于設(shè)計(jì)工程師所接受。但是，應(yīng)該嚴(yán)格限定擬靜力法的使用范圍：它不能用于地震時(shí)土體剛度有明顯降低或者產(chǎn)生液化的場(chǎng)合，而且只適用于設(shè)計(jì)加速度較小、動(dòng)力相互作用不甚突出的結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)。為了克服擬靜力法的上述缺陷，一些學(xué)者發(fā)展了可以部分地反映土體與結(jié)構(gòu)物之間的動(dòng)力耦合關(guān)系的所謂擬動(dòng)力分析法。迄今為止，已經(jīng)發(fā)展了不少考慮土體-結(jié)構(gòu)物動(dòng)力相

14、互作用的分析方法，例如子結(jié)構(gòu)法、有限元法、雜交法等。第五章展望 鑒于地震災(zāi)害對(duì)自然及人類社會(huì)的巨大危害，隔震減災(zāi)的任務(wù)就顯得尤為重要。5.1 基礎(chǔ)隔震技術(shù)的早期階段 基礎(chǔ)隔震概念最早是由日本學(xué)者河合浩藏于1981年提出的，認(rèn)為先在地基上縱橫交錯(cuò)放置幾層圓木，圓木上做混凝土基礎(chǔ)，再在混凝土基礎(chǔ)上蓋房，以削弱地震傳遞的能量 1909年，美國的J.A.卡蘭特倫茨提出了另外一種隔震方案，即在基礎(chǔ)與上部建筑物之間鋪一層滑石或云母，這樣地震時(shí)建筑物會(huì)發(fā)生滑動(dòng)，以達(dá)到隔離地震的目的 1921年，美國工程師FL萊特在設(shè)計(jì)日本東京帝國飯店時(shí)，有意用密集的短樁穿過表層硬土，直接插到軟泥土層底部，利用軟泥土層作為隔

15、震層1923年關(guān)東大地震發(fā)生，附近同類建筑毀壞嚴(yán)重，但這個(gè)建筑卻保持完好 1924年，日本的鬼頭健三郎提出了在建筑物的柱腳與基礎(chǔ)之間插入軸承的隔震方案1927年，日本的中村太郎論述了加裝阻尼器吸能裝置，在隔震理論方面進(jìn)行了有益的探索 在這一階段，雖然有了清晰的隔震概念和一定的隔震理論基礎(chǔ)，但限于當(dāng)時(shí)的水平與條件，基礎(chǔ)隔震技術(shù)的應(yīng)用未被很好地研究與開發(fā)。5.2 基礎(chǔ)隔震技術(shù)的現(xiàn)代階段 隨著地震工程理論的逐步建立以及實(shí)際地震對(duì)結(jié)構(gòu)工程的進(jìn)一步考驗(yàn)，特別是近二三十年來，由于采用大量的強(qiáng)震記錄儀對(duì)地震進(jìn)行觀測(cè)，使人們較快地積累了有關(guān)隔震及非隔震結(jié)構(gòu)工作性能的定量化經(jīng)驗(yàn)，從而對(duì)早期提出的一些隔震方法進(jìn)行了淘汰與升華其中疊層橡膠墊基礎(chǔ)隔震體系被認(rèn)為是隔震技術(shù)邁向?qū)嵱没钭坑谐尚У捏w系。 1984年新西蘭建造了世界上第一幢以鉛芯疊層橡膠墊作為隔震元件的4層建筑物1985年美國建成第一座4層的疊層橡膠墊隔震大樓加州?圣丁司法事務(wù)中心1986年日本又建成一幢5層高技術(shù)中心樓，采用鉛芯橡膠墊目前，世界上大約有30多個(gè)國家在開展這方面的研究，這項(xiàng)技術(shù)已被應(yīng)用在橋梁、建筑，甚至是核設(shè)施上截止目前，世界上大約已建成了3100多幢基礎(chǔ)隔震建