工程结构的地震动输入问题ppt课件

工程结构的地震动输入问题1抗震结构的地震动输入2地震动的工程特性及其描述3对现行抗震设计地震动输入的审视4地震动工程特性的定量描述与设计地震动参数5地震动随机模型6输入地震波抗震分析必须以合理的地震动输入为前提抗震设计最大的不确定性来自地震动输入抗震设计理论的发展很大程度上取决于地震动输入现状工程应用：地震动输入成为一大难题理论研究：有必要认真审视地震动输入1抗震结构的地震动输入back结构地震反应分析方法与地震动输入确定性地震响应分析基本方法略表结构适用方法地震动输入基本思路说明线性时域方法(数值积分法或时程分析法)加速度时程将输入在时域上进行离散，在各时段内的动力问题处理为拟静力问题，采用逐步积分法求解动力方程的数值解。积分方法常用线性加速度法、Wilson法和Newmark法等。动力方程可以是增量形式，也可以是全量形式。一般频域方法加速度时程(或功率谱)将输入在频域上进行离散，在各时段内的动力问题运用广义频域传递函数求解，迭加得出总体响应。计算繁琐，应用较少。振型分解法一般方法(振型时程分析法)加速度时程将结构振动特征进行离散，结构的总地震响应表征为主导振型响应的迭加，各振型的响应可按单自由度体系采用时域方法或频域方法进行计算。对具有非粘滞比例阻尼的工程结构宜采用复模态理论。振型分解反应谱法弹性反应谱将结构振动特征进行离散，结构的总地震最大响应表征为主导振型最大响应按一定组合原则的迭加，各振型最大响应根据由反应谱理论确定的地震作用按静力法计算。适用范围受结构特性和输入形式的局限，但仍为最常用方法之一。底部剪力法弹性反应谱将结构第一振型的最大响应视为结构的总地震最大响应，按静力方法求解。适用范围很有限，属振型分解法的特例。非线性时程分析法加速度时程将输入在时域上进行离散，在各时段内的动力问题处理为拟静力问题，采用逐步积分法求解动力方程的数值解。与线性结构的不同在于结构动力刚度矩阵的修改。应用广泛。简化方法弹性反应谱将按振型分解反应谱法计算得的弹性地震响应，乘以由统计分析确定的经验比值或放大系数，得出非线性地震响应。适用范围极为有限。等效线性化方法加速度时程根据分析目的、结构特点等按照一定等效原则将非线性结构等效为线性结构，非线性响应的计算则转化为线性响应的计算。关键在于等效线性结构的确定。存在多种等效原则。结构地震反应分析方法与地震动输入随机性地震响应分析基本方法略表结构适用方法地震动输入基本思路说明线性*振型分解法地震动随机模型或时程集系将结构离散为经典振型，按单自由度体系计算各振型响应的谱密度函数和相关函数，依振型迭加得出结构总响应的概率特征。适用于比例阻尼体系。非线性摄动法（小参数法）将解过程展开为小摄动参数的幂级数，级数的每一项分别满足一个随机输入各不相同的线性微分方程，求解得出响应的概率特征。常限于小非线性问题。等效线性化法同确定性等效线性化法，将非线性方程组用线性方程组近似等效，等效参数通常由两组方程之差的均方值为最小通过迭代得出。近似程度随非线性程度的增强而变弱。Markov矢量法和Fokker-Planck方法视结构状态矢量为Markov矢量过程，求解Fokker-Planck偏微分方程得出过程的转移概率密度函数，进而得出其它统计特征。为严密解法。适用于激励缺乏相关性的情形。Wiener-Hermite展开式法将激励和响应展开为Wiener-Hermite级数，由统计正交性使随机问题化为确定性问题，求解确定性核函数方程得到响应概率特征。通常仅计及级数的二阶项。线性或非线性统计近似方法地震动加速度记录集系依大量同一集系地震波作为输入，采用确定性分析方法求得各地震波输入下结构的响应，按统计方法计算结构响应的概率特征。方法局限性较小，问题的关键在于随机输入的处理，是一种实用可行的方法。MonteCarlo法地震动随机模型与统计近似方法相同，仅输入的样本函数由给定的地震动随机模型采用MonteCarlo法大量产生。结构抗震设计的不确定性结构抗震设计的不确定性地震动输入的不确定性结构力学性能及几何性质的不确定性结构数学计算模型的不确定性动力响应分析中算法的不确定性基于某些响应参数进行结构可靠性评判的不确定性认识输入的不确定性是支配结构地震响应不确定性的最重要因素结构材料的力学性能以及几何性质本身具有一定的可变性，这种固有的不确定性是无法降低的结构模型化（包括结构动力分析模型和结构恢复力模型的确定）是必需的，与此有关的不确定性可以通过模型和算法的改进予以降低迄今为止的各种破坏指标与准则几乎都是在特定加载制度下某种结构或子结构试验的基础上提出的，还没有一种被广泛接受，当推广应用到其它的加载形式和不同的结构类型时具有不确定性。尽管地震动输入所包含的与震源和传播介质的随机性等有关的固有不确定性不能降低且必须接受，但与地震动模型化及参数的非完备知识等有关的系统不确定性将随着强震观测数据的日益积累以及地震预测技术的提高而逐渐降低back抗震结构的地震动输入问题地震动的工程特性设计地震动参数随机模型工程特性的定量描述地震动模型化地震动记录地震动模拟仿真时程输入形式分析方法振型分解反应谱法随机振动分析方法时程分析法2地震动的工程特性传统三要素幅值特性频谱特性持时特性反应谱空间相关性功率谱峰值有效峰值强震持时多维分量间不同地点间不同位置不同深度水平与水平竖向与水平评述back常见的地震动幅值定义序号幅值名称幅值定义作者1峰值加速度PGA和峰值速度PGV加速度和速度在时间历程上的最大值2有效峰值加速度EPA和有效峰值速度EPVEPA=Sa/2.5，EPV=Sv/2.5Sa为0.1～0.5秒5%阻尼比加速度反应谱的平均值；Sv为1.0秒附近（通常为0.8～2.5秒）5%阻尼比速度反应谱平均值ATC-3（1978）3持续加速度as和持续速度vsas为加速度时程a(t)中第3、第4或第5个最大幅值（或平均值）；vs为速度时程v(t)中第3、第4或第5个最大幅值（或平均值）一般地，as=0.6～0.7PGA，vs=0.6～0.7PGVNuttli（1979）4等反应谱有效加速度aeae=a/0.90a为被削峰后的加速度反应谱面积达原时程反应谱面积90%时原加速度峰值所削到的值Ohsaki等（1980）5概率有效峰值按概率分布函数取超越概率小于10%或5%的峰值Mortgat（1979）；Bolt等（1982）6静力等效加速度根据地震中简单刚体的倾覆、移动和牛顿第二定律反推的刚体加速度7等效简谐振幅将地震动时程等效为10Hz或20Hz的简谐振动一般取为0.65PGASeed等（1971）8平均振幅取为地震动时程中前10个大振幅的平均值胡聿贤（1988）9Arias强度IATR为总持时，g为重力加速度Arias（1969）10均方根加速度armsTs为强震段持时或等效平稳持时Mortgat（1979）；Vanmarcke等（1980）11谱强度SISv为阻尼比为的相对速度反应谱，一般取=0或0.2Housner（1952）back频谱特性三种谱表述方法简要评价back三种谱表述方法傅立叶谱功率谱反应谱back傅立叶谱WiAiWiQi傅立叶变换back反应谱单自由度弹性体系的地震反应反应谱的定义反应谱的性质反应谱的种类反应谱的影响因素及规律back单自由度弹性体系的地震反应单自由度弹性体系运动微分方程受力分析恢复力——虎克定律阻尼力——瑞雷阻尼惯性力——牛顿第二定律方程建立——达朗贝尔原理m(x’’+x’’g)+cx’+kx=0mx’’+cx’+kx=-mx’’gx’’+2ewx’+w2x=-x’’g运动微分方程的解答mkcx’’g(t)x’’g(t)m(x’’+x’’g)cx’kxback运动微分方程的解答通解（自由振动）特解（强迫振动）——Duhamel积分全解=通解+特解~~特解最大反应及简化三点近似backProb?特解（强迫振动）输入过程的离散化——微脉冲-x’’g(T)dTdx(t)=e-ew(t-T)[A0coswd(t-T)+B0sinwd(t-T)]冲量作用前后位移为0：A0=x(T)=0动量定律：x’(T)=-x’’g(T)dTB0=[x’(T)+ewx(T)]/wd=-x’’g(T)dT/wd解答dx(t)=-x’’g(T)e-ew(t-T)sinwd(t-T)/wddTx(t)=-1/wdJ0-t{x’’g(T)e-ew(t-T)sinwd(t-T)dT}backdTT反应谱的定义单自由度弹性体系在给定地震作用下某种反应量的最大值与体系自振周期之间的关系曲线Sa(ς,T1)Sv(ς,T1)Sd(ς,T1)x’’g(t)Duhamel积分s(t)=f(x’’g,ς,T1)MaxςT1ςTiSa(ς,Ti)Sv(ς,Ti)Sd(ς,Ti)Duhamel积分s(t)=f(x’’g,ς,Ti)MaxTSyT1Tiback反应谱的性质结构反应特点低频（长周期）系统(<=0.1Hz)SdPGD中频（中等周期）系统放大作用高频（短周期）系统(>=10Hz)SaPGA反应谱性质反应谱由中频段的放大区和两端的极限区三部分构成伪谱的性质Sa=ωSv=ω2SdT高频中频低频动力放大系数βa=Sa/PGAβv=Sv/PGVβd=Sd/PGDbackWhatshouldbetheDRS?反应谱的种类真谱和伪谱弹性谱和弹塑性谱弹塑性谱的种类延性谱、位移比谱、能量谱、倒塌谱、阻尼耗能谱、累积损伤谱弹塑性谱的应用归一化反应谱——放大系数谱平均反应谱与设计反应谱设计反应谱的标定其他对结构动力行为和反应物理量的延伸基底剪力系数谱、最大反应时刻谱着眼于设计反应谱的估计与标定三参数标定设计反应谱标准反应谱一致危险性反应谱back反应谱的影响因素及规律地震动方面震级震级越大，长周期成分越丰富，反应谱峰点周期越后移震中距震级越大，长周期成分越丰富，反应谱峰点周期越后移场地场地越软，峰值越大，反应谱峰点周期越后移结构方面阻尼比阻尼比越大，反应越小，曲线越平滑结构周期三段特性back持时特性一般特征多种定义简要评价back持时的多种定义记录持时由加速度绝对幅值控制的括号持时（BracketedDuration）由加速度相对幅值控制的分数持时（FractionalDuration）由地震动相对能量控制的相对持时等效平稳持时累积均方根持时能量矩持时由地震动绝对能量和相对能量综合控制的持时工程持时反应持时（ResponseDuration）——反应谱值超过某给定值的累积时间和屈服工程持时back对地震动工程特性的评述指标问题工程应用：重要性；简单性；统计性；客观性仿真分析：全面性；统计性；客观性主要结论传统三要素并非总是足够频率非平稳问题——瞬时共振现象基于传统三要素的人造波不十分“象”实际记录控制地面运动特征并非一成不变线性结构——幅值和频谱；非线性结构——地震动细节空间扩展系统——地震动空间相关性（多维/多点输入）试图用简单的一两个参数描述地震动是注定要失败的幅值：哪一种幅值都不足以估计地震动的破坏哪一种单一的地震动参数都不足以估计地震动的破坏势必须注意到工程应用的需要back3对现行抗震设计地震动输入的审视设计地震动参数PGA和反应谱：对传统特性反映不充分大小震反应谱关系多维输入传统特性是否足够同一结构在相同集系人造波的反应差别太大输入地震波 规范 编程规范下载gsp规范下载钢格栅规范下载警徽规范下载建设厅规范下载 笼统：无视地震环境，均选用少数著名记录back4地震动工程特性的定量描述与设计地震动参数强度特性强度包线函数曲线模型曲线估计——能量逼近统计特征——衰减规律频率特性反应谱长周期特性反应谱的阻尼比修正频率非平稳特性多维相关性back强度包线函数back并非简单意义的峰值包络函数，而更应理解为地震波的标准差函数强度包线函数模型back曲线估计——能量逼近back衰减规律——持时（T90、T70）Next衰减规律——TS、cback频率特性反应谱长周期阻尼比修正大小震反应谱频率非平稳客观实在及显著性描述方法统计规律back长周期反应谱特性理论T→∞，Sd=PGD(Sa=ω2Sd)SaT-2统计特征back大小震反应谱——理论推导Next大小震反应谱——基于地震危险性分析结果的近似估算结论Ⅶ度区不考虑调整；Ⅷ和Ⅸ度区Ⅰ类场地取1.2Tg小，其它场地取1.1Tg小。简单地：Ⅷ和Ⅸ度区取为Tg大=Tg小+0.05Next大小震反应谱——带来的问题αmax0.45αmax0.1Tg5Tg6.0选波，弹性时程分析选波，弹塑性时程分析与其他方法对比？地震波不同？back频率非平稳——客观实在及显著性分析用的地震波分组及其累积穿零次数序号原始记录O持时(s)总累积穿零次数台站名称地震名称日期分量OA-1A-2ⅠElCentro,CaliforniaImperialValley1940.5.18S00E53.7321452386ⅡOlympia,WashingtonWesternWashington1949.4.13N04E89.0452786718Ⅲ8244OrionSanFernado1971.2.9N00E59.5245341306Ⅳ15250VenturaSanFernado1971.2.9N11E40.3219284236ⅤPacoimaDamSanFernado1971.2.9S16E41.8420404405ⅥPacoimaDamSanFernado1971.2.9S74E41.7452421389back频率非平稳——统计特性back相关特性峰值双向水平水平与竖向强度非平稳特性模型参数频率非平稳特性三维相关设计反应谱back峰值相关性——双向水平YYhs/Yhl变化范围均值标准差变异系数PGA0.20～1.000.7750.1560.201PGV0.17～3.180.8880.3480.392PGD0.03～8.801.0060.5980.594T0.31～5.021.1610.4460.385AL0.13～8.331.0990.6220.566back峰值相关性——水平与竖向back三维相关设计反应谱back5地震动随机模型随机过程平稳模型非平稳模型强度非平稳强度和频率非平稳ARMA模型——差分模型合理的平稳频域模型类型：一次滤波；多重滤波条件能量有限——高频条件零频含量消除——低频条件back随机过程back地震动功率谱线性系统频率响应函数的一般表达式地震动功率谱模型的若干形式一次滤波形式的功率谱模型多重滤波形式的功率谱模型串联并联back6输入地震波地震波来源实际地震波记录——数据库真实、有限、不均人造地震波无限、代表性、统计性选波问题控制指标——统计意义相符双频段选波样本容量“3+1”——“2+1”backThankyouforyourattention.