建筑結(jié)構(gòu)基于能量的地震反應(yīng)分析方法探討

摘要: 介紹了建筑結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)能量分析方法, 建立了能量方程, 指出需要解決的問題, 為結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計方法提供新的參考。

關(guān)鍵詞: 建筑結(jié)構(gòu); 地震能量; 結(jié)構(gòu)滯回耗能; 結(jié)構(gòu)阻尼耗能

1 前言

地震是一種突發(fā)性和毀滅性的自然災(zāi)害, 它對人類社會的危害主要表現(xiàn)在兩個方面: 一是地震引起建筑物的破壞或倒塌將會導(dǎo)致嚴(yán)重的人身傷亡和財產(chǎn)損失, 二是地震及其引起的水災(zāi)、火災(zāi)等次生災(zāi)害將破壞人類社會賴以生存的自然環(huán)境, 造成嚴(yán)重的經(jīng)濟損失, 產(chǎn)生巨大的社會影響。近年來, 世界各地的地震頻發(fā), 地震造成的損失巨大。為了減輕和避免這種損失, 眾多土木工程技術(shù)人員致力于如何避免或減少建筑物由于地震而遭到的破壞。可以說, 對建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計的研究一直受到世界各國的高度重視。

2 結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)能量分析綜述

長期以來, 人們采用結(jié)構(gòu)最大位移反應(yīng)或位移延性反應(yīng)單一指標(biāo)進行結(jié)構(gòu)地震破壞評估, 在結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計中采用彈性設(shè)計反應(yīng)譜確定地震作用。這種設(shè)計方法基本上沒有反映地震動持時對結(jié)構(gòu)破壞的影響, 也無法對許多震害現(xiàn)象做出合理的解釋。而從能量耗散角度描述結(jié)構(gòu)的塑性累積損傷, 以及地震動對結(jié)構(gòu)的作用, 具有形式簡單, 計算方便的特點, 而且能夠很好的反映地震動強度及頻譜特性, 特別是強震持時對結(jié)構(gòu)破壞的綜合影響。因此, 結(jié)構(gòu)地震能量分析與設(shè)計方法日益受到世界地震工程界的重視。從能量角度研究結(jié)構(gòu)在地震中的反應(yīng)關(guān)鍵在于研究地震過程中結(jié)構(gòu)的輸人能量和結(jié)構(gòu)滯回耗能的規(guī)律, 以此為基礎(chǔ)才能進一步研究適用于實際結(jié)構(gòu)的設(shè)計方法。

地震動能量是顯示地震強弱的綜合指標(biāo), 它綜合體現(xiàn)了地面最大加速度和地震持時兩個反映地面運動特性的重要因素。結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)的能量分析方法是一種能較好地反映結(jié)構(gòu)在地震地面運動作用下的非線性性質(zhì)及地震動三要素(幅值、頻譜特性和持時)對結(jié)構(gòu)抗震性能影響的方法。地震時, 結(jié)構(gòu)處于能量場中, 地面與結(jié)構(gòu)之間有連續(xù)的能量輸入、轉(zhuǎn)化與耗散。研究這種能量的輸入與耗散, 以估計結(jié)構(gòu)的抗震能力, 是結(jié)構(gòu)抗震能量分析方法所研究的問題。

在地震中, 耗能構(gòu)件用它自身某種程度破壞所作的犧牲, 來維護整個結(jié)構(gòu)的安全。所以, 每次大的地震作用之后, 人們看到那些沒有其它途徑耗散所吸收的地震作用的能量的結(jié)構(gòu), 只有通過結(jié)構(gòu)自身的破壞來釋放所有的多余能量。因此, 結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計應(yīng)當(dāng)注意保證結(jié)構(gòu)剛度、強度和變形能力的協(xié)調(diào)與統(tǒng)一。

傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)抗震, 往往是通過結(jié)構(gòu)本身的抗震性能(單一的強度指標(biāo))來抵御地震作用的, 由結(jié)構(gòu)自身吸收和耗散地震能量, 以此來滿足結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)。但由于地震作用的隨機性和不確定性, 地震作用下結(jié)構(gòu)破壞的多樣性, 人們很難對結(jié)構(gòu)在未來可能遭遇的地震災(zāi)害作用下具有很大模糊性的強度和其它特性做出準(zhǔn)確的估計。

能量分析的概念在1956 年由Housner 提出后, 人們對它的研究一直在進行, 但由于受技術(shù)手段的限制, 仍主要集中在概念的討論和單自由度結(jié)構(gòu)的計算分析。直到20 世紀(jì)70 年代末和80 年代初, 隨著實際地震數(shù)字化記錄、震害觀測資料和結(jié)構(gòu)試驗數(shù)據(jù)的大量積累, 人們更加清楚地認(rèn)識到結(jié)構(gòu)的能量反應(yīng)在評價地面運動強度和結(jié)構(gòu)破壞程度中的重要作用, 尤其是隨著計算機技術(shù)的飛速發(fā)展, 結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)非線性時程分析方法的廣泛應(yīng)用, 使人們具備了深入系統(tǒng)地進行結(jié)構(gòu)動力彈塑性能量反應(yīng)分析的條件, 能量分析方法的研究從此進入了新的時期。

從上述能量方程可以看出, 結(jié)構(gòu)的阻尼耗能和滯回耗能隨時間單調(diào)增加, 在地震結(jié)束時取得最大值。滯回耗能是最具有工程意義的能量反應(yīng)指標(biāo), 它能很好地反映強震持續(xù)時間對結(jié)構(gòu)的影響, 實踐中主要利用它來衡量結(jié)構(gòu)的塑性累積損傷。當(dāng)結(jié)構(gòu)進入塑性階段以后, 動能和彈性應(yīng)變能在總耗能中所占的比例很小, 而地震輸入給結(jié)構(gòu)的能量主要依靠結(jié)構(gòu)的非彈性變形和阻尼來耗散?？梢赃@樣認(rèn)為, 阻尼耗能及體系的塑性變形能和滯回耗能能力決定了結(jié)構(gòu)的抗震能力, 也即如果體系阻尼耗能及滯回耗能能力大于地震輸入能量, 即可保證結(jié)構(gòu)的抗震性能, 從而防止結(jié)構(gòu)在地震作用下的倒塌。

4 結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)能量分析方法需要解決的問題

采用彈塑性動力時程分析方法進行結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)的能量分析要求以地面運動加速度時程作為輸入, 要求清楚結(jié)構(gòu)在往復(fù)荷載作用下的恢復(fù)力滯回變化規(guī)律。日前, 確定這些因素有較大困難,因而時程分析方法還只是作為一種研究手段, 用于研究在不同地面運動輸入和不同結(jié)構(gòu)恢復(fù)力模型條件下結(jié)構(gòu)的能量反應(yīng)規(guī)律, 以獲取能量反應(yīng)分析的簡化計算方法。

目前能量反應(yīng)分析主要需要解決以下三個方面的問題:

4.1 結(jié)構(gòu)的總耗能的確定。當(dāng)在分析中假定結(jié)構(gòu)不倒時, 結(jié)構(gòu)的總耗能就等于地震對結(jié)構(gòu)的總輸入能總輸入能既與地震作用(取決于地震峰值加速度、頻譜特性和振動持續(xù)時間)有關(guān), 又與結(jié)構(gòu)本身內(nèi)在特性有關(guān)。

4.2 總耗能中屬于引起結(jié)構(gòu)破壞的非彈性變形耗能(滯回耗能)部分是多少。關(guān)于破壞耗能在總耗能中所占比例的研究, 主要集中在單自由度結(jié)構(gòu)。強地震輸入給結(jié)構(gòu)的能量主要由結(jié)構(gòu)的非彈性變形和阻尼兩部分來耗散, 前者主要為滯回耗能, 后者為阻尼耗能。當(dāng)前的研究局限于數(shù)值分析, 及假設(shè)不同的阻尼模型和不同的阻尼比值, 選取不同的地面運動輸入, 通過時程分析研究結(jié)構(gòu)的破壞耗能比與結(jié)構(gòu)參數(shù)及地面運動之間的關(guān)系。由于阻尼模型的形式很多, 而對于能量分析,阻尼耗能直接影響到破壞耗能在總耗能中所占的比例。因此, 要研究破壞耗能比, 必須首先對結(jié)構(gòu)的阻尼問題有一個比較清楚的認(rèn)識。

4.3 總滯回耗能在結(jié)構(gòu)層間、構(gòu)件之間的分配規(guī)律。關(guān)于滯回耗能在結(jié)構(gòu)內(nèi)部的分布規(guī)律的研究, 首先面臨的是能量在各層的分布問題, 但是它們目前還只是處于層間模型的水平, 幾乎所有的討論都集中于滯回耗能在結(jié)構(gòu)層間分布的問題,沒有深入到具體構(gòu)件。目前的研究屬于半理論、半統(tǒng)計的方法, 對結(jié)構(gòu)參數(shù)所作的假定較多, 而賴以進行統(tǒng)計的地震記錄和算例太少, 僅局限于剪切型結(jié)構(gòu), 不適用于工程中常見的剪彎型和彎曲型結(jié)構(gòu)。

5 結(jié)束語

基于能量的結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計具有許多優(yōu)點, 但同時還有許多問題有待解決, 目前世界上許多國家都投入大量人力、財力進行研究, 以希望在不久的將來把現(xiàn)行規(guī)范過渡到基于能量性能的結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計規(guī)范。隨著我國結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計與國際的接軌, 基于結(jié)構(gòu)能量性能的結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計方法將得到廣泛的應(yīng)用。

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