摘要:建筑结构的地震反应可以用不同的变量来体现,具体在抗震设计过程中采用何种设计变量则要根据结构自身类型、地震反应特性、地震破坏模式等因素综合考虑。依据结构抗震设计变量的不同对结构抗震设计方法进行分类,大致可分为基于承载力的抗震设计法、基于位移的抗震设计方法、基于能量的抗震设计方法和基于损伤的抗震设计方法。目前我国抗震设计是一种以承载力为主同时含有部分性能设计思想的方法。本文主要对建筑结构基于能量抗震设计方法进行分析研究。
关键词:结构抗震设计;基于性能;能量分析方法
一、能量的结构抗震设计概述
基于能量的抗震设计理论是从能量的角度考虑地震地面运动对于结构的作用,概念明确,能够较好的反映地震动强度、频谱、持时对结构破坏的综合影响,从输入能量和耗散能量的角度捕捉到结构在强烈地震作用下的非弹性变形历程。由于能量分析的复杂性,基于能量的结构抗震设计方法还处在理论研究阶段,能实际运用到工程设计中的能量设计法至今还未完整的建立起来。能量概念和破坏模型一直是抗震研究中的两个论题,特别是目前基于性能的抗震设计思路的提出,又对抗震结构的耗能能力及性能的研究提出了新的要求。
地震作用下结构反应的基本特征为能量的输入、转化和耗散。地震的总输入能量是指地震地面运动到位于地震区的结构物上的输入能量。总输入能量的耗散基本分为滞回耗能和阻尼耗能:滞回耗能指由结构或构件的非弹性变形耗散的输入能量,阻尼耗散指由结构黏滞阻尼耗散的输入能量。结构能量反应分析因素包括地震动因素、结构的动力特性、滞回耗能量、结构滞回模型的选择等。在众多的能量反应分析涉及因素中,结构耗能能力应该作为结构抗震性能和能力评估的一个重要方面。
1956年G.W.(housnet)提出能量分析的概念后,研究人员不断对其做出深化研究,但受到科学技术手段的限制,只能对能量分析的概念和单自由度结构进行主要讨论和计算分析。到20世纪80年代初,人们通过大量积累的实际地震数字化记录、震害观测资料和结构试验数据等资料,发现地面运动强度和结构破坏程度通过结构的能量反应更加清晰。通过能量分析,可以清晰地反映出结构的塑性累积损伤程度。能量抗震设计方法考虑了位移S和力F结构设计参数,并综合考虑了结构阻尼耗能和累积滞回耗能。这种分析方法既避免位移方法不能考虑结构累积损伤和承载力反应谱法不能考虑弹塑性位移的不足,又能整体对地震作用对结构的抗震能力和结构的影响做出反映。基于能量的抗震设计方法的特点
(1)基于能量的抗震设计方法从能量的角度考察地震对结构的作用和结构的损伤破坏的相互关系,用地震输入能量在结构中的转化、耗散来解释整个地震作用过程,原理更加清晰简洁。
(2)结构地震反应的能量分析方法以能量作为地震作用参数能够较好地反映结构在地震地面运动作用下的非线性性质及地震动三要素(幅值、频谱特性和持时)对结构抗震性能影响。
(3)能量分析采用动力时程分析方法,能够求得结构地震反应的全过程,使塑性累计损伤对结构破坏的影响能够清晰的反映出来,对结构损伤性能的控制有重要意义。
二、建筑结构基于能量抗震设计方法分析
2.1 基于能量设计方法的提出
基于能量抗震设计是通过地震能量分析,同时考虑结构耗能的特点,求解结构承载力及其对应的累积滞回耗能需求的思想,进行抗震设计。
2.2 基于能量的设计方法的两种思路
(1)从能量的观点来看,要保证结构“大震不倒”,就是要保证结构的抗震能力大于结构在罕遇地震下所需要消耗的能量。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆由此可以得到基于能量设计方法的主要步骤:
第一步,确定结构总的输入能量E₁;
第二步,确定结构的滞回耗能部分EH;
第三步,确定结构的滞回耗能能力EU:可以对结构运用静力弹塑性分析方法来确定结构的耗能能力;
第四步,由 EH≤EU来验算结构在大震下的安全性。由于以上分析涉及结构的非线性,在恢复力模型的选取等方面还存在不确定性,还需要进一步的研究、试验来分析。
(2)研究人员提出了瞬时能量的概念,通过研究证明,应将瞬时能量与结构最大位移反应联系起来。由于地震动瞬时输入能量 E 是连续两速度零点间的能量输入,因为速度为零,故动能增量也为零,即:E=ED+EH,其中时间间隔t是指结构经历半次振动循环所需的时间,因为结构的周期是变化的,因此是一个变量。人们普遍认同,结构的变形或位移对建筑物的使用功能和地震的破坏比结构物的受力更为重要。位移与能量相关,力与加速度有关,如何去实现结构最大位移反应有多种途径。根据文献研究可知:在具有不同能量分布的地震波作用下,单自由度体系的弹性阶段,位移反应最大值与瞬时输入能量最大值 体现出对应关系,而地震波的结构延性μ和能量分布特征没有明显的对应关系;单自由度体系的弹塑性阶段,结构的自振周期、地震波能量分布特征都能够影响分析结果,较难分析。特别是在基于能量累积和位移首次最大超越破坏理论的提出后,这种方法无疑为抗震能量设计提供了一种思路。
三、基于能量的设计方法和现有设计方法的比较
大多数现有的抗震设计工作基于等效静力概念然后设计结构的构件去抵抗这些力,这个过程通常基于弹性分析,或者是强度设计或是工作应力设计。能量设计方法具有概念清楚,把焦点放在结构反应的全过程中的特点,这样能使设计出来的结构在地震作用下拥有足够的强度和延性,而且能发生我们想要屈服机制,基于能量的设计方法可以作为传统设计方法很好的补充,它可以缩短设计中验算的过程而得到满意的结果。随着最近兴起基础隔震、耗能减震技术,基于能量分析设计方法不但能较好地反映结构在强震作用下的全过程和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。而近年来,随着基于性能设计方法(performance-based design)的提出,要求所设计的建筑物在未来的地震作用下具备预期的功能,这种方法的有效性就更加显现出来。
四、基于能量的抗震设计存在的问题与今后的发展方向
4.1对于设计地震作用的确定方式,以能量谱的形式虽然得到多数人的支持,有待进一步深入研究。
4.2结构地震反应的能量分析还处于研究阶段,能量反应分析比较准确的、普遍采用的是动力时程分析法。
4.3对结构总耗能在阻尼耗能与非弹性变形耗能之间的分配、非弹性变形能结构内部层间及构件的耗能分布规律的研究结果并不十分明确。还没有建立起一个比较符合实际并得到普遍认可的结构破坏状态与能量控制参数的关系表达式。
4.4目前对能量法的研究还局限在单自由度体系的分析当中,加强对多自由度体系地震能量反应与单自由度体系反应的关系方面进行研究,对能量方法得以应用到复杂结构体系上尽早实现与工程实际抗震设计的结合有很重要的意义。
结束语:
基于能量抗震设计工程结构的设计和发展有重要的理论和实际意义。它强调的结构设计满足了社会多种设防需求,发挥了设计人员的主动性,使业主有了自主性的选择。但是,设计方法的复杂性大大的增加了。目前对结构性能提出全面、清晰的要求和量化,以及通过合理的抗震分析和设计方法实现基于能量的抗震设计理念是21世纪的设计标准所需要的。
参考文献
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论文作者:邵朋
论文发表刊物:《基层建设》2017年第35期
论文发表时间:2018/3/14
标签:能量论文; 结构论文; 方法论文; 位移论文; 塑性论文; 性能论文; 自由度论文; 《基层建设》2017年第35期论文;