建筑结构抗震设计与实例第3章ppt课件.ppt
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1、第三章第三章 单自由度体系结构的地震反应单自由度体系结构的地震反应 3.1 3.1 概述概述一、建筑结构的地震反应一、建筑结构的地震反应 地震反应:地面运动作用于房屋,在房屋结构中产生地震反应:地面运动作用于房屋,在房屋结构中产生的的内力、变形、位移、速度和加速度内力、变形、位移、速度和加速度。 影响地震反应的因素:房屋结构的影响地震反应的因素:房屋结构的动力特性、地面运动力特性、地面运动特性(幅值、频谱特性、持续时间)动特性(幅值、频谱特性、持续时间)等。等。 需求解一个动力学问题需求解一个动力学问题, 很复杂。分析中需要进行简化。很复杂。分析中需要进行简化。 房屋结构的简化:一般将一单层房
2、屋房屋结构的简化:一般将一单层房屋集中为一个质点,集中为一个质点,将竖向构件质量集中至上下两端。忽略质量的扭转效应,将竖向构件质量集中至上下两端。忽略质量的扭转效应,按单自由度考虑。按单自由度考虑。二、建筑结构的动力计算简图二、建筑结构的动力计算简图三、地震反应分析的目的三、地震反应分析的目的计算地震作用下结构的内力,进行结构抗震设计。计算地震作用下结构的内力,进行结构抗震设计。ABAB图3.1 单层排架计算简图图3.2 单层平面框架计算简图3.23.2 单自由度体系的自由振动单自由度体系的自由振动一、力学模型及运动方程一、力学模型及运动方程1.荷载作用下的运动方程荷载作用下的运动方程Fd(t
3、)Fs(t)c(a)KP(t)mx(t)x(t)mP(t)(b)图3.3 单自由度体系分析模型FI(t)SFkx IFmx 弹性恢复力:弹性恢复力:惯性力:惯性力:dFcx P(t)阻尼力:阻尼力:外力:外力:4 质点所受的力:质点所受的力: 达朗贝尔原理达朗贝尔原理( )0IdSFFFP t (3.1)运动方程运动方程( )ckP txxxmmm ( )mxcxkxP t (3.2)22( )xxxa t 2cm 22ccmmk 阻尼比阻尼比c阻尼系数阻尼系数km 无阻尼自振圆频率无阻尼自振圆频率( )( )p ta tm 2.地面运动作用下运动方程地面运动作用下运动方程( )gxt 地面运
4、动加速度地面运动加速度 ( )( )gxtx t 质点绝对加速度:质点绝对加速度:质点相对地面加速度质点相对地面加速度( )x t ( )( )gm xtx t惯性力:惯性力:( )kx t( )cx t 质点的阻尼力:质点的阻尼力:恢复力:恢复力:达朗贝尔原理:达朗贝尔原理:( )( )( )( )gmx tcx tkx tmxt ( )( )( )( )0gm xtx tcx tkx t(3.3)运动方程运动方程2( )2( )( )( )gx tx tx txt (3.4)1. 单自由度体系的无阻尼自由振动单自由度体系的无阻尼自由振动0mxkx 20 xx ( )cossinx tBtC
5、t 一般解一般解二、运动方程的解二、运动方程的解给定初始条件给定初始条件t=0时时: 初位移初位移x 0 ,初速度,初速度0, 则则 B= x 0, C= 0 /00( )cos(/) sinx txtvt (3.5)( )sin()x tAt (3.6)2 /T 2/Tm k 周期周期12fT 1/2fk m 频率频率即即2( )sin()x tAt 加速度加速度2( )( )sin()I tmx tmAt 惯性力惯性力振幅振幅Akm 圆频率圆频率几个重要参数几个重要参数2200(/)Ax 00 xtg 2. 单自由度体系的有阻尼自由振动单自由度体系的有阻尼自由振动 结构中存在一种耗能的因素
6、结构中存在一种耗能的因素阻尼:一般采用粘滞阻尼:一般采用粘滞阻尼理论,粘滞阻尼理论假定阻尼力与速度成正比,但阻尼理论,粘滞阻尼理论假定阻尼力与速度成正比,但方向与速度相反。方向与速度相反。2( )2( )( )0 x tx tx t (3.8)00 xC 初始条件初始条件t=0时时: 初位移为初位移为x 0 ,初速度,初速度为为0, B= x 0000( )(cossin)txx textt (3.9)( )(cossin)0tx teBtCt 解的一般形式解的一般形式2122000()xAx 000 xtgx 有阻尼自振频率有阻尼自振频率( )sin()tx tAet (3.10)x(t)x
7、(0)x(0)=00.050.2t图图3.5 3.5 单自由度体系自由振动曲线单自由度体系自由振动曲线 解解 2k8048.639.43m204.0 自振圆频率自振圆频率 6.28 有阻尼自振圆频率有阻尼自振圆频率 2216.28 1 0.056.27 自振频率自振频率 f21Hz 自振周期自振周期 1 f1sT 例题例题3.1 3.1 一单自由度体系,质点质量一单自由度体系,质点质量m m为为204t204t,抗侧刚,抗侧刚度度k k为为 ,阻尼比取为,阻尼比取为0.050.05,求体系的自振,求体系的自振特性。特性。8048.6KN m( )sintPdtx tetm 代入初始条件:代入初
8、始条件:t=0, 位移位移x =0,初速度初速度0=Pdt/m得得3. 单自由度体系在任意荷载作用下的受迫振动单自由度体系在任意荷载作用下的受迫振动1) 瞬时荷载作用下的自由振动瞬时荷载作用下的自由振动在方程解中在方程解中( )(cossin)0tx teBtCt ()0( )( )sin()ttPx tetdm 杜哈美积分杜哈美积分()( )( )sin()tPdx tetdm 2)一般动力荷载作用下的动力反应一般动力荷载作用下的动力反应(3.12)?3)地面运动作用情况地面运动作用情况-0.08-0.0400.040.080.12051015202530(s)图3.6 埃尔森特罗地震记录
9、特点:不规则,不能用函数表示,如何特点:不规则,不能用函数表示,如何求解运动方程?求解运动方程?()0( )( )sin()ttPx tetdm ( )( )gPmx 用用代入代入二、运动方程数值计算二、运动方程数值计算1.分析方法分析方法将时段将时段0 T划分为划分为n个时间段:个时间段: t0,t1,tk-1, tk tn-1, tn 2( )2( )( )( )gx tx tx txt (3.14)3-4 单自由度体系地震反应的数值计算单自由度体系地震反应的数值计算一、地面运动作用下的位移反应一、地面运动作用下的位移反应代入代入()01( )( )sin()ttgx txetd (3.1
10、3)()0( )( )sin()ttPx tetdm ( )( )gPmx 杜哈美积分中用杜哈美积分中用在在tk, tk1内设定某种变化规律内设定某种变化规律(Wilson-法、线性加法、线性加速度法)速度法) ,从而可根据从而可根据tk时刻值,求得时刻值,求得tk1时刻的值。时刻的值。2()2()()()kkkgkx tx tx txt 当当t=tk时时2. 线性加速度法,假定线性加速度法,假定tk-1 tk 内的加速度满足下式:内的加速度满足下式:在区间在区间tk-1 tk内对上式进行积分,得内对上式进行积分,得11)11( ()()kkkkkkttxx tx tx ttt (3.15)1
11、111111()()( )()() kkktttkkkktttkkx tx tx t dtx tdtttdttt 12kkktxBx Bk-1111111()21122kkkkkkkkxxxtxxtxxtxt 2111111()1( )()()() ()()2kkkkkkkkttx tx tx tttx tx ttt (3.16)在区间在区间tk-1 tk内对内对 (3.16)式进行积分,得式进行积分,得2311111111()()11( )()()()()()()26kkkkkkkkkkx tx tx tx tx tttx ttttttt 将上两项代入运动方程将上两项代入运动方程2( )2(
12、 )( )( )gx tx tx txt 222112226kkkkkgkttxBxAxx (3.16)2111(2)kgkkkxxBAs 22211(1)(2)6kgkkkttxxBA s216kkktxAx 12kkktxBx 2211112211111()261136kkkkkkkkkkxxxtxtxxtxxtxtxt Ak-1 例题例题3.2 3.2 已知单自由度体系质点质量为已知单自由度体系质点质量为200t200t,抗侧,抗侧移刚度移刚度k k7200KN/m7200KN/m,阻尼比,阻尼比 ,地面运动加速,地面运动加速度记录如表所示,试用线性加速度法计算质点的位移、度记录如表所示
13、,试用线性加速度法计算质点的位移、速度、加速度及最大绝对加速度和最大水平地震作用速度、加速度及最大绝对加速度和最大水平地震作用(计算步长取(计算步长取0.1s0.1s,计算至,计算至1.21.2s s)。)。 0.05 2gcm/sx 0.10.20.30.40.50.60.70.80.91.01.11.2108207300200950-150-198-120-1800t 解解 自振频率自振频率k m7200 2006 2222611 0.05 6 0.10.11.0966stt 2111(2)kgkkkxxBAs 2111113kkkkAxxtxt 11112kkkBxxt216kkktxA
14、x 12kkktxBx 按下列公式进行迭代计算按下列公式进行迭代计算最大绝对加速度最大绝对加速度 2agm a xSxx544.030544.03cm s 最大水平地震作用力最大水平地震作用力 maxaFS2m544.03 10200 1088 kN 求解地震作用下结构内力的方法求解地震作用下结构内力的方法 1.1.比较精确的方法:建立结构体系的动力学模型,根比较精确的方法:建立结构体系的动力学模型,根据在地震作用下的据在地震作用下的位移反应位移反应,利用刚度方程,直接求解,利用刚度方程,直接求解内力。适用情况:内力。适用情况:理论分析;理论分析;2.2.近似方法:根据地震作用下结构的近似方法
15、:根据地震作用下结构的加速度反应加速度反应,求,求出该结构体系的出该结构体系的惯性力惯性力,将此惯性力视作为一种反映地,将此惯性力视作为一种反映地震影响的等效力,即震影响的等效力,即地震作用地震作用,再进行结构的静力计算,再进行结构的静力计算,求出各构件的内力。求出各构件的内力。适用于结构设计适用于结构设计3.5 3.5 抗震设计反应谱抗震设计反应谱 抗震规范抗震规范采用近似方法采用近似方法 一、水平地震作用的基本公式一、水平地震作用的基本公式对于某一特定的地面运动对于某一特定的地面运动 ,体系的加速度反体系的加速度反应应 ,质点的绝对加速度为质点的绝对加速度为 gxt x t gaxtx t
16、 质点的最大绝对加速度质点的最大绝对加速度amaxSa地震时结构经受的最大地震作用地震时结构经受的最大地震作用aFmS(3.17)二、地震影响系数二、地震影响系数aaaSSFmSmgGgg 地震影响系数地震影响系数 包含包含地面运动强烈程度和结构反应地面运动强烈程度和结构反应大小大小asg FG 地震系数地震系数 gmaxxkg 反应地面运动强烈程度。反应地面运动强烈程度。一般,地震烈度愈大,地面一般,地震烈度愈大,地面运动加速度愈大,地震系数也愈大,因而,地震系数运动加速度愈大,地震系数也愈大,因而,地震系数与地震烈度之间有一定的对应关系。与地震烈度之间有一定的对应关系。maxmaxggxS
17、Kgx 动力系数动力系数( (放大倍数)放大倍数) agmaxSx 反应单质点体系反应单质点体系最大绝对加速度与地面运动最大加速度最大绝对加速度与地面运动最大加速度的比值,的比值,表示由于动力效应,质点的最大绝对加速度比表示由于动力效应,质点的最大绝对加速度比地面运动最大加速度放大了多少倍地面运动最大加速度放大了多少倍. . 地震烈度地震烈度 6 7 8 9 地震系数地震系数k k 0.05 0.1 0.2 0.4地震烈度与地震系数的关系地震烈度与地震系数的关系 表表3 31 1三、水平地震作用的计算三、水平地震作用的计算关键要确定关键要确定 。影响因素:。影响因素:设防烈度,场区的地震动特性
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