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抗震研究方法

抗震研究方法

1震害调查和强震观测

    强震对地震工程的推动作用是总所周知的,这种推动作用来自两方面:第一强震带来的损失惨重,使人感到责任重大,一定要防止或者减少这样的灾害再次发生,从而强调抗震工程的重要意义,促进地震工程的发展;第二,强震中各类结构物受到不同程度的损坏,从中可总结出很多经验教训,有助于改进抗震工作。

    人们通过两种途径总结抗震经验:一种是根据宏观震害现象的分析,求得抗震的定性概念。由于存在大量的震害现象,此法应用很广,但只能得到定性的结果。另一种是力求获得强震观测记录,以得到定量分析的结果。但记录不易获得,难以得到可用的资料。两种途径经常互为补充,在地震工程的发展过程中共同推动这一学科的发展。

    1923年日本关中大地震肯定了震度设计法的思想,确认了抗震设计的重要作用,从震害分析中同时得到的有关结构抗震的构造措施;从历次地震中表现出来不同类型结构物的不同震害表现得历史经验,以及共振效应为理论基础的分析,促进了反应谱理论的提出和普及;2008年我国汶川地震,造成了大量人员伤亡,震后许多学者对其进行调查,并编辑出版了震害调查报告。

2模型试验

    土木工程抗震性能研究的模型试验按照试验方法和试验手段的不同,可以分为拟静力加载试验、拟动力试验和地震摸拟振动台试验等。

拟静力试验

    拟静力试验指的是往复循环荷载多次作用的静力试验,就是使构件或者结构在正反两方向重复加载和卸载过程,用以模拟结构在地震动时往复振动中的受力和变形过程。这种方法企图用静力的方法求得振动的效果,所以称为拟静力。

    拟静力试验的目的大多是研究构件或者结构超过弹性极限后的性能(恢复力特性)和破坏特征,也可以用来比较和验证构造措施的有效性和确定结构的抗震极限承载能力,进而为建立数学分析模型,通过计算机进行结构抗震非线性分析服务,为改进现行抗震设计方法和修订设计规范提供依据。

    拟静力试验的结果通常是由荷载—变形的滞后曲线以及有关参数来表达,它们是研究结构抗震性能的基本数据,可用以进行结构抗震性能的评定。同时,通过这些指标的综合评定,可以相对比较各类结构、各类构造和加固措施的抗震能力,建立和完善抗震设计理论,提出合适的抗震设计方法。

    结构拟静力方法可以详细研究结构和构件的非弹性地震反应,试验中的加载和测量都容易实现。不足之处是试验结果决定于事先对结构非弹性性能的定性或定量假定,应变速度影响未考虑。

拟动力试验

    拟动力试验与伪静力试验的不同点在于施加的荷载或者变形和结构构件的非线性力学特性都同结构物在地震作用下所经历的真实过程一致。但由于试验过程仍是用静力方法进行,不是在振动过程中进行的,所以称为“拟动力法”。

    拟动力试验的原理是根据数值化的典型地震加速度记录时程曲线,取某一时刻的地震加速度值和试验中前一时刻加载后实测的结构恢复力,用逐步积分振动方程的动力反应分析方法计算出该时刻结构试件的地震反应位移,并对结构试件施加此位移,实现该时刻结构试件的地震反应;实测此时的结构恢复力,按地震过程取下一时刻的地震加速度值,进行该时刻结构试件地震反应位移计算,再将位移施加到结构试件上。如此逐时刻反复实现计算位移—施加位移—实测结构恢复力—再计算位移……的循环过程,即模拟了结构试件在地震中的实际动态反应过程。

    拟动力试验的优点是:可以采用从试件中直接实测的恢复力关系;反应过程可以顺序按地震时的变位和受力历史过程进行;便于测量反应量和数据处理;其缺点是:应变速率与实际不符,阻尼不易考虑;要求多个激振器的精确相位控制。

地震模拟振动台试验

    地震模拟振动台试验是将试验对象放在一个足够刚性的台面上,通过动力加载设备使台面再现各种类型地震作用,并使试验对象随之产生类似地震作用下的振动。结构在地震作用下的破坏机理可以直观的被了解,是目前研究结构抗震性能最直接也是较准确的试验方法,被广泛应用于研究结构物的动力特性、设备抗震性能、检验结构抗震措施等方面。

    地震模拟振动台是本试验的关键设备,投资较大,其设计和建造涉及到土建、机械、液压传动、电子技术和自动控制等多方面技术,所以建设既经济又具有高性能的地震模拟振动台是一项复杂的高技术工作。

    除了少数超大型地震模拟振动台可以用来做足尺试验外,绝大部分地震模拟振动台不得不采用小比例模型试验。尽管小比例试验不少动力相似率的条件得不到满足,但满足了一些主要的动力相似率,仍能反映较多重要信息。试验结果也可用来校准破坏阶段的计算分析,推算原型结构破坏阶段的特性。

3结构地震反应分析

    结构地震反应分析方法主要分为静力分析、反应谱分析和动力分析,动力分析方法又分为随机振动和确定性振动方法。

静力分析

    1916年日本学者佐野利器经过对多次地震震害的分析,提出了“家屋耐震构造论”,引入了震度法的概念,创立了求解地震作用的水平静力抗震理论。该理论认为结构所受地震作用可以简化为等效水平静力。在估计地震作用时,假定建筑物是刚性的,地震作用在质量中心,其大小相当于建筑物的重量乘以一个与结构特性无关的比例系数,结构上任一点的加速度都等于地震动加速度。

    静力分析方法没有考虑地震的动力特性和结构的动力性质(变形和阻尼),仅适用于刚性结构。

反应谱分析

    结构物可简化为多自由度体系,多自由度体系的地震反应可按振型分解为多个单自由度体系反应的组合,每个单自由度体系的最大反应可以从反应谱求得。

    反应谱理论包括三个基本假定:结构物的地震反应是弹性的,可以采用叠加原理进行振型组合;现有反应谱是在结构的所有支承处的地震动完全相同、基础与地基无相同作用的假定下求得的;结构物最不利的地震反应为其最大的地震反应,而与其它动力反应参数无关。

    虽然反应谱理论考虑了结构的动力特性所产生的共振效应,但由于在设计中仍把地震惯性力看作静力,因而只能称之为准动力理论。

    人们不断对该理论加以完善,如:考虑场地条件对反应谱形状的影响对反应谱进行调整;随着人们对结构非线性地震反应的重视,提出了非线性反应谱理论;随着对地震动特性的深入了解,提出了随机振动理论等。目前反应谱经过不断的改进和完善,正广泛用于世界各国的抗震设计中。

随机振动分析

    随着地震动加速度过程观测记录的积累,人们认识到它的复杂性和随机性,从而引用在其他学科应用过的随机过程来进行地震动的描述和结构地震反应分析。

    随机振动分析的特点在于它认为地震动与结构反应都是随机现象,因而只能求得其统计特征,或者具有出现概率意义的最大反应。基于这一概念,较好的处理了反应谱分析方法中的振型组合问题,并使抗震设计从安全系数法过度到概率理论为基础的分项系数法。近几十年来发展起来的地震危险性分析又为抗震结构中的一系列重大问题,如地震区划、设计原则、安全与保险、社会决策等提供了理论基础。

    随机振动分析与反应谱理论是并行的,前者从随机观点处理反应超过给定值得概率,后者从确定性概念处理复杂频谱组成的地震动引起的结构反应。

确定性振动分析(动力时程分析)

    确定性振动分析是把地震看作一个随时间变化的过程,选择有代表性的地震加速度时程作为地震动输入,把建筑物简化为多自由度体系,采用逐步积分法计算得到每一时刻结构的地震反应。确定性振动分析中合理选择有代表性的地震记录是非常重要的,其数量不能太多,也不能太少,且要符合场地情况。

    对于一般结构物,在强烈地震作用下,结构物会因局部损坏而改变其动力特性,一般改变生活刚度降低、阻尼加大,从而进入非线性反应阶段。因此分析中常需要建立结构或者构件在往复荷载作用下的恢复力模型。

    确定性振动分析可以得到较为精确的地震反应,但缺点是计算量大,建立模型复杂,对分析结果的整理要求高,且结果的准确性很大程度取决于输入地震动的合理性,因此该方法一般适用于重要的建筑结构。

4参考文献:

1. 胡聿贤地震工程学(第二版)北京:地震出版社. 2006

2. 中华人民共和国行业标准建筑抗震试验方法规程北京:中国建筑工业出版社. 1997

                                                                                                                                           负责人:***