建筑结构基于能量的地震反应分析及设计方法
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摘要
能量的传递、转化与吸收(消耗)是结构地震反应的基本特征。采用基于能量概念的抗震分析和设计方法能较好地反映结构在强震作用下的全过程及其自身的弹塑性性能，而且能量反应及其转化概念明确、形式简单，包括了多种设计因素的影响，具有明显的优越性。因此，结构地震反应能量分析方法日益受到国际地震工程研究的重视，被认为是今后结构抗震设计理论的发展方向。本文详细说明了采用动力时程分析法对结构进行能量分析的计算步骤，综合考虑地震动因素和结构自身特性，分析了多自由度体系弹塑性结构在强震作用下地震总输入能在滞回耗能和阻尼耗能之间分配及滞回耗能在结构层间分配受各种因素影响的变化规律。计算表明，滞回耗能在总输入能中的百分比受结构阻尼比的影响较大，当结构阻尼比ζ=0.02时，E_h/E_i一般在70～80％；当ζ=0.05时，E_h/E_i在50％左右；当ζ=0.10时，E_h/E_i大致为30％。滞回耗能在结构层间为下大上小的梯形分布规律，薄弱层易在底部形成。本文根据所得的总输入能分配规律和滞回耗能层间分配规律，结合现行抗震设计规范，提出了建筑结构基于能量概念的二阶段设计方法。
Transmission conversion and absorption(dissipation)of earthquake energy are the fundamental characteristics of the structural seismic response. Not only the analysis and design method based on energy concept can better reflect the whole history and the elastic-plastic performance of the structure under the ground motion, but energy response and energy conversion have definite concept and simple form. It considers the effects of many design factors and has obvious advantage. The analytic method of structural seismic energy responses is increasingly attached importance to the international seismic engineering research, and regarded as development tendency in structural seismic design theory. Calculation procedure using time history analysis method to study structural energy is introduced in details in this paper. Considering seismic input motion parameters and structural dynamic parameters, the varied laws of the distribution of MDOF elastic-plastic structural seismic total input energy between hysteretic energy and damping energy is investigated, also the laws of the storey distribution of the hysteretic energy. It has been found that the damping ratio has a significant influence on the ratio of Eh to Ei .When the damping ratio ξ is 0.02, the value of Eh/Ei. is in the range of 70-80%; ξ= 0.05,Eh /Ei is about 50%;ξ=0.10,Eh/Ei is about 30%. The storey distribution of the hysteretic energy is ladder-shaped pattern, namely, the hysteretic energy hi the bottom is larger than that in the upper stories and the bottom stories are apt to be the weak stories. From the above conclusion, the two-stage design method for MDOF buildings based on energy concept is presented on the basis of current design standards.
Transmission conversion and absorption(dissipation)of earthquake energy are the fundamental characteristics of the structural seismic response. Not only the analysis and design method based on energy concept can better reflect the whole history and the elastic-plastic performance of the structure under the ground motion, but energy response and energy conversion have definite concept and simple form. It considers the effects of many design factors and has obvious advantage. The analytic method of structural seismic energy responses is increasingly attached importance to the international seismic engineering research, and regarded as development tendency in structural seismic design theory. Calculation procedure using time history analysis method to study structural energy is introduced in details in this paper. Considering seismic input motion parameters and structural dynamic parameters, the varied laws of the distribution of MDOF elastic-plastic structural seismic total input energy between hysteretic energy and damping energy is investigated, also the laws of the storey distribution of the hysteretic energy. It has been found that the damping ratio has a significant influence on the ratio of Eh to Ei .When the damping ratio ξ is 0.02, the value of Eh/Ei. is in the range of 70-80%; ξ= 0.05,Eh /Ei is about 50%;ξ=0.10,Eh/Ei is about 30%. The storey distribution of the hysteretic energy is ladder-shaped pattern, namely, the hysteretic energy hi the bottom is larger than that in the upper stories and the bottom stories are apt to be the weak stories. From the above conclusion, the two-stage design method for MDOF buildings based on energy concept is presented on the basis of current design standards.
引文
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[4] 肖明葵 刘波 白绍良，抗震结构总输入能量及其影响因素分析，重庆建筑大学学报，1996．6
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[30] 王光远等著：工程结构与系统抗震优化设计的实用方法，中国建筑工业出版社，1999
[31] 魏琏 著：高层及多层钢筋混凝土建筑抗震设计手册，中国建筑科学研究院工程抗震研究所，1985
[32] 丰定国 王清敏 钱国芳 苏三庆 编著：工程结构抗震，地震出版社，1994
[33] 高小旺 龚思礼 苏经宇 易方民 编：建筑抗震设计规范理解与应用，中国建筑工业出版社，2002
[34] 朱伯龙等著：工程结构抗震设计原理，上海科学技术出版社，1982
[35] 地震工程概论编写组：地震工程该轮，北京：科学出版社，1985
[36] 丰定国 王社良 主编：抗震结构设计，武汉工业大学出版社，2001
[37] 包世华 著：高层结构设计，清华大学出版社，1990
[38] 杨文星，单自由度体系非线性地震能量反应分析，西安建筑科技大学硕士学位论文，2002
[39] 肖明葵 刘纲 白绍良 赖明，抗震结构的滞回耗能谱，世界地震工程，2002．9
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