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(wèn)題, 為結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)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(duì)人類(lèi)社會(huì)的危害主要表現(xiàn)在兩個(gè)方面: 一是地震引起建筑物的破壞或倒塌將會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的人身傷亡和財(cái)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(lèi)社會(huì)賴(lài)以生存的自然環(huán)境, 造成嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失, 產(chǎn)生巨大的社會(huì)影響。近年來(lái), 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(shuō), 對(duì)建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)的研究一直受到世界各國(guó)的高度重視。

2 結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)能量分析綜述

長(zhǎng)期以來(lái), 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(jìn)行結(jié)構(gòu)地震破壞評(píng)估, 在結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)中采用彈性設(shè)計(jì)反應(yīng)譜確定地震作用。這種設(shè)計(jì)方法基本上沒(méi)有反映地震動(dòng)持時(shí)對(duì)結(jié)構(gòu)破壞的影響, 也無(wú)法對(duì)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(dòng)對(duì)結(jié)構(gòu)的作用, 具有形式簡(jiǎn)單, 計(jì)算方便的特點(diǎn), 而且能夠很好的反映地震動(dòng)強(qiáng)度及頻譜特性, 特別是強(qiáng)震持時(shí)對(duì)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(jì)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(guò)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(jìn)一步研究適用于實(shí)際結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法。

地震動(dòng)能量是顯示地震強(qiáng)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(shí)兩個(gè)反映地面運(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)作用下的非線(xiàn)性性質(zhì)及地震動(dòng)三要素(幅值、頻譜特性和持時(shí))對(duì)結(jié)構(gòu)抗震性能影響的方法。地震時(shí), 結(jié)構(gòu)處于能量場(chǎng)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(jì)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(wèn)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(lái)維護(hù)整個(gè)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(méi)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(guò)結(jié)構(gòu)自身的破壞來(lái)釋放所有的多余能量。因此, 結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)應(yīng)當(dāng)注意保證結(jié)構(gòu)剛度、強(qiáng)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(guò)結(jié)構(gòu)本身的抗震性能(單一的強(qiáng)度指標(biāo))來(lái)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(lái)滿(mǎn)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(jī)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(duì)結(jié)構(gòu)在未來(lái)可能遭遇的地震災(zāi)害作用下具有很大模糊性的強(qiáng)度和其它特性做出準(zhǔn)確的估計(jì)。

能量分析的概念在1956 年由Housner 提出后, 人們對(duì)它的研究一直在進(jìn)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(jì)算分析。直到20 世紀(jì)70 年代末和80 年代初, 隨著實(shí)際地震數(shù)字化記錄、震害觀測(cè)資料和結(jié)構(gòu)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的大量積累, 人們更加清楚地認(rèn)識(shí)到結(jié)構(gòu)的能量反應(yīng)在評(píng)價(jià)地面運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度和結(jié)構(gòu)破壞程度中的重要作用, 尤其是隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展, 結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)非線(xiàn)性時(shí)程分析方法的廣泛應(yīng)用, 使人們具備了深入系統(tǒng)地進(jìn)行結(jié)構(gòu)動(dòng)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(jìn)入了新的時(shí)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(shí)間單調(diào)增加, 在地震結(jié)束時(shí)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(qiáng)震持續(xù)時(shí)間對(duì)結(jié)構(gòu)的影響, 實(shí)踐中主要利用它來(lái)衡量結(jié)構(gòu)的塑性累積損傷。當(dāng)結(jié)構(gòu)進(jìn)入塑性階段以后, 動(dòng)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(lái)耗散。可以這樣認(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(wèn)題

采用彈塑性動(dòng)力時(shí)程分析方法進(jìn)行結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)的能量分析要求以地面運(yùn)動(dòng)加速度時(shí)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(shí)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(yùn)動(dòng)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(jiǎn)化計(jì)算方法。

目前能量反應(yīng)分析主要需要解決以下三個(gè)方面的問(wèn)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(shí), 結(jié)構(gòu)的總耗能就等于地震對(duì)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(dòng)持續(xù)時(shí)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(qiáng)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(lái)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(yùn)動(dòng)輸入, 通過(guò)時(shí)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(yùn)動(dòng)之間的關(guān)系。由于阻尼模型的形式很多, 而對(duì)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(duì)結(jié)構(gòu)的阻尼問(wèn)題有一個(gè)比較清楚的認(rèn)識(shí)。

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(wèn)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(wèn)題,沒(méi)有深入到具體構(gòu)件。目前的研究屬于半理論、半統(tǒng)計(jì)的方法, 對(duì)結(jié)構(gòu)參數(shù)所作的假定較多, 而賴(lài)以進(jìn)行統(tǒng)計(jì)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(jiàn)的剪彎型和彎曲型結(jié)構(gòu)。

5 結(jié)束語(yǔ)

基于能量的結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)具有許多優(yōu)點(diǎn), 但同時(shí)還有許多問(wèn)題有待解決, 目前世界上許多國(guó)家都投入大量人力、財(cái)力進(jìn)行研究, 以希望在不久的將來(lái)把現(xiàn)行規(guī)范過(guò)渡到基于能量性能的結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)規(guī)范。隨著我國(guó)結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)與國(guó)際的接軌, 基于結(jié)構(gòu)能量性能的結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)方法將得到廣泛的應(yīng)用。

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