建筑结构基于能量的地震反应分析方法探讨

摘要: 介绍了建筑结构地震反应能量分析方法, 建立了能量方程, 指出需要解决的问题, 为结构的抗震设计方法提供新的参考。

关键词: 建筑结构; 地震能量; 结构滞回耗能; 结构阻尼耗能

1 前言

地震是一种突发性和毁灭性的自然灾害, 它对人类社会的危害主要表现在两个方面: 一是地震引起建筑物的破坏或倒塌将会导致严重的人身伤亡和财产损失, 二是地震及其引起的水灾、火灾等次生灾害将破坏人类社会赖以生存的自然环境, 造成严重的经济损失, 产生巨大的社会影响。近年来, 世界各地的地震频发, 地震造成的损失巨大。为了减轻和避免这种损失, 众多土木工程技术人员致力于如何避免或减少建筑物由于地震而遭到的破坏。可以说, 对建筑结构抗震设计的研究一直受到世界各国的高度重视。

2 结构地震反应能量分析综述

长期以来, 人们采用结构最大位移反应或位移延性反应单一指标进行结构地震破坏评估, 在结构抗震设计中采用弹性设计反应谱确定地震作用。这种设计方法基本上没有反映地震动持时对结构破坏的影响, 也无法对许多震害现象做出合理的解释。而从能量耗散角度描述结构的塑性累积损伤, 以及地震动对结构的作用, 具有形式简单, 计算方便的特点, 而且能够很好的反映地震动强度及频谱特性, 特别是强震持时对结构破坏的综合影响。因此, 结构地震能量分析与设计方法日益受到世界地震工程界的重视。从能量角度研究结构在地震中的反应关键在于研究地震过程中结构的输人能量和结构滞回耗能的规律, 以此为基础才能进一步研究适用于实际结构的设计方法。

地震动能量是显示地震强弱的综合指标, 它综合体现了地面最大加速度和地震持时两个反映地面运动特性的重要因素。结构地震反应的能量分析方法是一种能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的方法。地震时, 结构处于能量场中, 地面与结构之间有连续的能量输入、转化与耗散。研究这种能量的输入与耗散, 以估计结构的抗震能力, 是结构抗震能量分析方法所研究的问题。

在地震中, 耗能构件用它自身某种程度破坏所作的牺牲, 来维护整个结构的安全。所以, 每次大的地震作用之后, 人们看到那些没有其它途径耗散所吸收的地震作用的能量的结构, 只有通过结构自身的破坏来释放所有的多余能量。因此, 结构的抗震设计应当注意保证结构刚度、强度和变形能力的协调与统一。

传统的结构抗震, 往往是通过结构本身的抗震性能(单一的强度指标)来抵御地震作用的, 由结构自身吸收和耗散地震能量, 以此来满足结构的抗震设防标准。但由于地震作用的随机性和不确定性, 地震作用下结构破坏的多样性, 人们很难对结构在未来可能遭遇的地震灾害作用下具有很大模糊性的强度和其它特性做出准确的估计。

能量分析的概念在1956 年由Housner 提出后, 人们对它的研究一直在进行, 但由于受技术手段的限制, 仍主要集中在概念的讨论和单自由度结构的计算分析。直到20 世纪70 年代末和80 年代初, 随着实际地震数字化记录、震害观测资料和结构试验数据的大量积累, 人们更加清楚地认识到结构的能量反应在评价地面运动强度和结构破坏程度中的重要作用, 尤其是随着计算机技术的飞速发展, 结构地震反应非线性时程分析方法的广泛应用, 使人们具备了深入系统地进行结构动力弹塑性能量反应分析的条件, 能量分析方法的研究从此进入了新的时期。

从上述能量方程可以看出, 结构的阻尼耗能和滞回耗能随时间单调增加, 在地震结束时取得最大值。滞回耗能是最具有工程意义的能量反应指标, 它能很好地反映强震持续时间对结构的影响, 实践中主要利用它来衡量结构的塑性累积损伤。当结构进入塑性阶段以后, 动能和弹性应变能在总耗能中所占的比例很小, 而地震输入给结构的能量主要依靠结构的非弹性变形和阻尼来耗散。可以这样认为, 阻尼耗能及体系的塑性变形能和滞回耗能能力决定了结构的抗震能力, 也即如果体系阻尼耗能及滞回耗能能力大于地震输入能量, 即可保证结构的抗震性能, 从而防止结构在地震作用下的倒塌。

4 结构地震反应能量分析方法需要解决的问题

采用弹塑性动力时程分析方法进行结构地震反应的能量分析要求以地面运动加速度时程作为输入, 要求清楚结构在往复荷载作用下的恢复力滞回变化规律。日前, 确定这些因素有较大困难,因而时程分析方法还只是作为一种研究手段, 用于研究在不同地面运动输入和不同结构恢复力模型条件下结构的能量反应规律, 以获取能量反应分析的简化计算方法。

目前能量反应分析主要需要解决以下三个方面的问题:

4.1 结构的总耗能的确定。当在分析中假定结构不倒时, 结构的总耗能就等于地震对结构的总输入能总输入能既与地震作用(取决于地震峰值加速度、频谱特性和振动持续时间)有关, 又与结构本身内在特性有关。

4.2 总耗能中属于引起结构破坏的非弹性变形耗能(滞回耗能)部分是多少。关于破坏耗能在总耗能中所占比例的研究, 主要集中在单自由度结构。强地震输入给结构的能量主要由结构的非弹性变形和阻尼两部分来耗散, 前者主要为滞回耗能, 后者为阻尼耗能。当前的研究局限于数值分析, 及假设不同的阻尼模型和不同的阻尼比值, 选取不同的地面运动输入, 通过时程分析研究结构的破坏耗能比与结构参数及地面运动之间的关系。由于阻尼模型的形式很多, 而对于能量分析,阻尼耗能直接影响到破坏耗能在总耗能中所占的比例。因此, 要研究破坏耗能比, 必须首先对结构的阻尼问题有一个比较清楚的认识。

4.3 总滞回耗能在结构层间、构件之间的分配规律。关于滞回耗能在结构内部的分布规律的研究, 首先面临的是能量在各层的分布问题, 但是它们目前还只是处于层间模型的水平, 几乎所有的讨论都集中于滞回耗能在结构层间分布的问题,没有深入到具体构件。目前的研究属于半理论、半统计的方法, 对结构参数所作的假定较多, 而赖以进行统计的地震记录和算例太少, 仅局限于剪切型结构, 不适用于工程中常见的剪弯型和弯曲型结构。

5 结束语

基于能量的结构抗震设计具有许多优点, 但同时还有许多问题有待解决, 目前世界上许多国家都投入大量人力、财力进行研究, 以希望在不久的将来把现行规范过渡到基于能量性能的结构抗震设计规范。随着我国结构抗震设计与国际的接轨, 基于结构能量性能的结构抗震设计方法将得到广泛的应用。

参考文献：

[1]GB50011- 2001.建筑抗震设计规范[S].北京: 中国建筑工业出版社, 2001.

[2]刘波, 肖明葵, 赖明.结构总输入能量的分配[J].重庆建筑大学学报, 1996, 18( 2) : 100- 108.

[3]周云, 徐彤, 周福霖.抗震与减震结构的能量分析方法研究与应用[J].地震工程与工程振动, 1999, 19( 4) : 133- 139.

[4]白绍良, 黄宗明, 肖明葵.结构杭震设计的能量分析方法述评[J].建筑结构, 1997, 24( 4) : 54- 58.

[5]魏新磊, 周云, 于敬海等.基于结构能量分析的抗震设计新方法的研究[J]. 世界地震工程, 2003, 19( 3) 62- 67.