建筑結構基于能量的地震反應分析方法探討

摘要: 介紹了建筑結構地震反應能量分析方法, 建立了能量方程, 指出需要解決的問題, 為結構的抗震設計方法提供新的參考。

關鍵詞: 建筑結構; 地震能量; 結構滯回耗能; 結構阻尼耗能

1 前言

地震是一種突發(fā)性和毀滅性的自然災害, 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致嚴重的人身傷亡和財產(chǎn)損失, 二是地震及其引起的水災、火災等次生災害將破壞人類社會賴以生存的自然環(huán)境, 造成嚴重的經(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, 對建筑結構抗震設計的研究一直受到世界各國的高度重視。

2 結構地震反應能量分析綜述

長期以來, 人們采用結構最大位移反應或位移延性反應單一指標進行結構地震破壞評估, 在結構抗震設計中采用彈性設計反應譜確定地震作用。這種設計方法基本上沒有反映地震動持時對結構破壞的影響, 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構的塑性累積損傷, 以及地震動對結構的作用, 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構破壞的綜合影響。因此, 結構地震能量分析與設計方法日益受到世界地震工程界的重視。從能量角度研究結構在地震中的反應關鍵在于研究地震過程中結構的輸人能量和結構滯回耗能的規(guī)律, 以此為基礎才能進一步研究適用于實際結構的設計方法。

地震動能量是顯示地震強弱的綜合指標, 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。結構地震反應的能量分析方法是一種能較好地反映結構在地震地面運動作用下的非線性性質及地震動三要素(幅值、頻譜特性和持時)對結構抗震性能影響的方法。地震時, 結構處于能量場中, 地面與結構之間有連續(xù)的能量輸入、轉化與耗散。研究這種能量的輸入與耗散, 以估計結構的抗震能力, 是結構抗震能量分析方法所研究的問題。

在地震中, 耗能構件用它自身某種程度破壞所作的犧牲, 來維護整個結構的安全。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構, 只有通過結構自身的破壞來釋放所有的多余能量。因此, 結構的抗震設計應當注意保證結構剛度、強度和變形能力的協(xié)調與統(tǒng)一。

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

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, 但由于受技術手段的限制, 仍主要集中在概念的討論和單自由度結構的計算分析。直到20 世紀70 年代末和80 年代初, 隨著實際地震數(shù)字化記錄、震害觀測資料和結構試驗數(shù)據(jù)的大量積累, 人們更加清楚地認識到結構的能量反應在評價地面運動強度和結構破壞程度中的重要作用, 尤其是隨著計算機技術的飛速發(fā)展, 結構地震反應非線性時程分析方法的廣泛應用, 使人們具備了深入系統(tǒng)地進行結構動力彈塑性能量反應分析的條件, 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, 結構的阻尼耗能和滯回耗能隨時間單調增加, 在地震結束時取得最大值。滯回耗能是最具有工程意義的能量反應指標, 它能很好地反映強震持續(xù)時間對結構的影響, 實踐中主要利用它來衡量結構的塑性累積損傷。當結構進入塑性階段以后, 動能和彈性應變能在總耗能中所占的比例很小, 而地震輸入給結構的能量主要依靠結構的非彈性變形和阻尼來耗散?？梢赃@樣認為, 阻尼耗能及體系的塑性變形能和滯回耗能能力決定了結構的抗震能力, 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, 即可保證結構的抗震性能, 從而防止結構在地震作用下的倒塌。

4 結構地震反應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構地震反應的能量分析要求以地面運動加速度時程作為輸入, 要求清楚結構在往復荷載作用下的恢復力滯回變化規(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構恢復力模型條件下結構的能量反應規(guī)律, 以獲取能量反應分析的簡化計算方法。

目前能量反應分析主要需要解決以下三個方面的問題:

4.1 結構的總耗能的確定。當在分析中假定結構不倒時, 結構的總耗能就等于地震對結構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, 又與結構本身內在特性有關。

4.2 總耗能中屬于引起結構破壞的非彈性變形耗能(滯回耗能)部分是多少。關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構。強地震輸入給結構的能量主要由結構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。當前的研究局限于數(shù)值分析, 及假設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構的破壞耗能比與結構參數(shù)及地面運動之間的關系。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, 必須首先對結構的阻尼問題有一個比較清楚的認識。

4.3 總滯回耗能在結構層間、構件之間的分配規(guī)律。關于滯回耗能在結構內部的分布規(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構層間分布的問題,沒有深入到具體構件。目前的研究屬于半理論、半統(tǒng)計的方法, 對結構參數(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, 僅局限于剪切型結構, 不適用于工程中常見的剪彎型和彎曲型結構。

5 結束語

基于能量的結構抗震設計具有許多優(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構抗震設計規(guī)范。隨著我國結構抗震設計與國際的接軌, 基于結構能量性能的結構抗震設計方法將得到廣泛的應用。

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