地震作用计算ppt课件.pptx
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1、目录:第一章 地震灾害与对策 第二章 抗震设防水准 第三章 建筑选址与建筑、结构方案 第四章 地震作用计算(一) 第五章 地震作用计算(二) 第六章 混凝土结构抗震承载力及位移计算 第七章 混凝土结构抗震构造措施 第八章 地基与基础 第九章 砌体结构、钢结构、单层工业厂房抗震设计 第十章 防震和耗能减震设计,建筑结构抗震设计与施工,第五章 反应谱的应用,本章应思考的问题:反应谱的实质是什么?反应谱法有哪些基本假定?反应谱法的使用范围是什么?本章要点:振型分解法的原理;底部剪力法的使用范围和计算步骤;,第五章 反应谱的应用,三水准两阶段,小震不坏,中震可修,大震不倒,第一阶段,第二阶段,承载力验
2、算,弹性范围,位移验算,反应谱法,弹塑性变形验算,弹塑性范围,振型分解法,底部剪力法,弹塑性方法,时程分析,构造措施,静态,动态,5.1 反应谱用于单自由度体系计算,5.1 反应谱用于单自由度体系计算,5.1.1 重力荷载代表值,5.1 反应谱用于单自由度体系计算,5.1.2 单自由度体系的计算步骤( FEk= G)计算重力荷载代表值G计算结构抗侧移刚度K计算自振周期T=2/由Tg、max等确定水平地震影响系数水平地震作用力FEk= G分别计算结构在水平及竖向荷载作用下内力内力组合承载力及位移验算构造措施,5.1 反应谱用于单自由度体系计算,5.1.2 单自由度体系的计算步骤,5.1 反应谱用
3、于单自由度体系计算,5.1.3 单自由度体系的计算例题【例1】单层钢筋砼框架如图示。集中与屋盖处的重力荷载代表值G=1200kN。梁的抗弯刚度EI=,柱的截面尺寸b*h=350mm*350mm,采用C20混凝土(E=25.5kN/mm2),结构的阻尼比=0.05。类场地,设防烈度为7度,设计基本地震加速度为0.10g,建筑所在地区的设计地震分组为第二组。试求在多遇地震下该框架的水平地震作用。,h=5m,EI=,G=1200kN,5.1 反应谱用于单自由度体系计算,5.1.2 单自由度体系的计算例题【例2】单层钢筋砼框架如图示。屋盖刚度为无穷大,集中与屋盖处的重力荷载代表值G=700kN。梁的抗
4、弯刚度EI=,柱的线刚度ic=2.6104kNm,阻尼比=0.05。设防烈度为8度,设计地震分组为第二组,设计基本地震加速度为0,15g,场地的地质资料见下表。试求在多遇地震下该框架的水平地震作用。并画出内力图,h=5m,EI=,G=700kN,5.1 反应谱用于单自由度体系计算,5.1.2 单自由度体系的计算例题【例2】,5.1 反应谱用于单自由度体系计算,5.1.2 单自由度体系的计算例题【例3】已知一水塔结构,可简化为单自由度体系,m=10000kg,k=1kN/cm,位于类场地第二组,基本烈度为7度(地震加速度为0.1g),阻尼比=0.03,求该结构多遇地震下的水平地震作用。,5.1
5、反应谱用于单自由度体系计算,5.1.2 单自由度体系的计算例题【例4】某工程抗震设防烈度为8度,设计地震分组为第一组,场地类别II类,设计基本地震加速度为0.15g,结构的自振周期T=1.82s,求阻尼比=0.1时的地震影响系数(多遇地震),5.2 反应谱用于多自由度体系计算,多自由度体系计算的基本思路:,5.2 反应谱用于多自由度体系计算,5.2.1 多自由度体系的振型分解,利用振型正交性原理,将耦联的震动微分方程组解耦,形成n个独立的一维微分方程。每个振型对应于1个等效的单自由度体系(称为振子),对于每个等效单自由度体系可运用反应谱求解地震作用。然后再将各振型的地震作用效应按一定的规则进行
6、组合。振型称为体系振动的形状函数,即当体系按某一自振频率振动时,振动的型式不变,质点的位移比不变,只是位移大小不同。,5.2 反应谱用于多自由度体系计算,5.2 反应谱用于多自由度体系计算,5.2.1 多自由度体系的振型分解一、振型的正交性振型的正交性的物理意义是:多质点体系按某一振型振动时,它的动能和位能不会转移到另一振型上去,就是体系按某一振型振动时不会激起该体系其他振型的振动,即各个振型是相互独立无关的。利用振型正交性的原理可以使微分方程组的求解大大的简化。,数学上,什么是向量的正交性?,两个向量的乘积为零,5.2 反应谱用于多自由度体系计算,5.2.1 多自由度体系的振型分解一、振型的
7、正交性,当质点的质量为 m,频率为 ,位移为x(t),则作用于质点m上的惯性力:,i振型,j振型,i振型位移,j振型位移,5.2 反应谱用于多自由度体系计算,5.2.1 多自由度体系的振型分解一、振型的正交性,i振型上的惯性力:,i振型上的惯性力在j振型上作的虚功:,5.2 反应谱用于多自由度体系计算,5.2.1 多自由度体系的振型分解一、振型的正交性,j振型上的惯性力:,j振型上的惯性力在i振型上作的虚功:,由虚功互等定理:,振型关于质量矩阵的正交性,5.2 反应谱用于多自由度体系计算,5.2.1 多自由度体系的振型分解一、振型的正交性,同理:,振型关于刚度矩阵的正交性,等式两边各前乘,5.
8、2 反应谱用于多自由度体系计算,5.2.1 多自由度体系的振型分解二、振型分解由前述,多自由度体系自由振动微分方程组解的形式为 当按某一振型振j振动时,各质点位移相对比值保持不变,振型向量Xj不随时间变化。随时间变化的函数sin(jt+)对于各质点是相同的,我们将它用函数qj(t)表示,由于Xj不变,qj(t)值就间接决定了各质点的位移大小,所以又称之为“广义坐标”。,5.2 反应谱用于多自由度体系计算,5.2.1 多自由度体系的振型分解二、振型分解 按照振型叠加原理,弹性结构体系,每一个质点在振动过程中的位移等于各振型的线性组合:,也可以写成下属矩阵的形式,q为时间函数,体系的位移可以看成是
9、由各振型乘以相应的组合系数叠加而成,即将位移按振型加以分解,故称为振型分解法,5.2 反应谱用于多自由度体系计算,5.2.1 多自由度体系的振型分解二、振型分解,振型分解法的前提:振型关于下列矩阵正交,刚度矩阵,阻尼矩阵,质量矩阵,无条件满足,采用瑞雷阻尼矩阵,5.2 反应谱用于多自由度体系计算,5.2.1 多自由度体系的振型分解二、振型分解,令,可得,两边各项乘以,上式等号左边的第一项,5.2 反应谱用于多自由度体系计算,5.2.1 多自由度体系的振型分解二、振型分解,令,可得,两边各项乘以,根据振型对质量的矩阵的正交性,上式除了 一项外,其余项均为零,故有,5.2 反应谱用于多自由度体系计
10、算,5.2.1 多自由度体系的振型分解二、振型分解,令,可得,两边各项乘以,同理,利用振型对刚度矩阵的正交性,上式左边第三项也可写成,对于j振型有 ,故上式可以写成,5.2 反应谱用于多自由度体系计算,5.2.1 多自由度体系的振型分解二、振型分解,令,可得,两边各项乘以,对于上述等式右边的第二项,同理可写成:,综合得:,5.2 反应谱用于多自由度体系计算,5.2.1 多自由度体系的振型分解二、振型分解,对于上述等式右边的第二项,同理可写成:,综合得:,称为j振型的振型参与系数,5.2 反应谱用于多自由度体系计算,5.2.1 多自由度体系的振型分解二、振型分解,多自由度振动方程,单自由度振动方
11、程,二者之间只相差一个常数j,杜哈米积分,令,5.2 反应谱用于多自由度体系计算,5.2.1 多自由度体系的振型分解二、振型分解 将 代入得:同理:,以上就是振型分解法分析时,多自由度弹性体系在地震作用下其中任一质点mi位移和加速度的计算公式。,5.2 反应谱用于多自由度体系计算,5.2.1 多自由度体系的振型分解二、振型分解 对于振型参与系数 实际上就是当 质点位移时 值。证明:考虑两质点体系,令 中的得:,以 和 分别代入上式中的第一式和第二式,可得,5.2 反应谱用于多自由度体系计算,5.2.1 多自由度体系的振型分解二、振型分解,将上述两式相加,并利用振型的正交性,可得,同理,将 和
12、分别代入可得:,故式 可写成:,5.2 反应谱用于多自由度体系计算,5.2.1 多自由度体系的振型分解二、振型分解由 可得,惯性力,5.2 反应谱用于多自由度体系计算,5.2.1 多自由度体系的振型分解二、振型分解式中:Fjij振型i质点的水平地震作用 j与第j振型自振周期Tj相应的地震影响系数,参照设计反应谱曲线(图4-22) Gi 集中于质点i的重力荷载代表值 Xjij振型i质点的水平相对位移 jj振型的参与系数,5.2 反应谱用于多自由度体系计算,5.2.1 多自由度体系的振型分解三、振型组合 求出了j振型i质点上的地震作用Fji后,就可以计算结构的地震效应Sj,这里的Sj也是最大值,但
13、任一时刻某一振型的地震作用达到最大值时,其他振型的地震作用和效应并不一定也达到最大值。则结构的总地震作用效应近似采用“平方和开方”的方法(SRSS)确定,即 式中:SEK水平地震作用标准值的效应 Sjj振型水平地震作用标准值的效应,可只取23个 振型,当基本周期大于1.5s或房屋高宽比大于5时,振型个数 应适当增加,5.2 反应谱用于多自由度体系计算,5.2.2 振型分解反应谱法的计算步骤,求多质点体系的自振周期Tj、振型Xj求各振型下的地震反应效应:由Xji计算振型参与系数j,由Tj得水平地震影响系数j,总效应,5.2 反应谱用于多自由度体系计算,5.2.3 振型分解反应谱法的计算例题【例1
14、】已知某两个质点的弹性体系,如图所示,质量m1=100t、m2=50t,侧移刚度k1=40103kN/m、 k2=20103kN/m 。试求该体系的自振周期和振型,并验证振型的正交性。,5.2 反应谱用于多自由度体系计算,5.2.3 振型分解反应谱法的计算例题【例2】试用振型分解反应谱法计算图示框架多遇地震时的层间剪力。抗震设防烈度为8度,类场地,设计地震分组为第二组,设计基本地震加速度0.10g,阻尼比为0.05。其中:,5.2 反应谱用于多自由度体系计算,5.2.3 振型分解反应谱法的计算例题【例3】三层剪切型结构,处于8度区(地震加速度为0.20g),I1 类场地第一组,结构阻尼比为0.
15、05。试采用振型分解反应谱法,求结构在多遇地震下的层间地震剪力。其中:,5.2 反应谱用于多自由度体系计算,5.2.3 振型分解反应谱法的计算例题总结:1.各质点地震作用及各层地震剪力,V13=F13V12=F13+F12V11=F13+F12+F11,V23=F23V22=F23+F22V21=F23+F22+F21,V33=F33V32=F33+F32V31=F33+F32+F31,T=T1,T=T2,T=T3,5.2 反应谱用于多自由度体系计算,5.2.3 振型分解反应谱法的计算例题总结:2.各振型地震和地震剪力,T=T1,T=T2,T=T3,总地震剪力图,注:通过上述两个例题可以发现组
16、合后的地震作用效应与第一振型的地震作用效应几乎相等。,5.2 反应谱用于多自由度体系计算,5.2.3 振型分解反应谱法的计算例题【例4】当采用振型分解反应谱法进行计算时,相应于第一、第二振型在水平地震作用下的剪力标准值分别如图a)和图b)所示。试求在水平地震作用下各层柱剪力标准值V(kN)。,5.3 底部剪力法,用振型分解反应谱法计算比较复杂,特别是对多层房屋,能否采用简单近似的方法? 前面的例题发现,总的地震作用效应与第一振型的地震剪力分布相近。 即用第一振型的地震剪力作为结构的地震剪力的方法称为底部剪力法。 思路:首先求出等效单质点的作用力(即底部剪力),然后再按一定的规则分配到各个质点。
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