单质点地震作用计算的计算方法分析

单质点地震作用计算的计算方法

所谓单质点弹性体质，是指可以将结构参与振动的全部质量集中于一点，用无重量的弹性直杆支承于地面上的结构．例如水塔、单层房屋等建筑物，由于它们的质量大部分集中于结构的顶部，所以通常将这些结构简化成单质点体系．目前，计算弹性体系的反应时，一般假定地基不产生转动，而把地基的运动分解为一个竖向和两个水平向的分量，然后分别计算这些运动分量对结构的影响．

主要内容：1．单自由度弹性体系地震反应分析，主要是运动方程解的一般形式及水平地震作用的基本公式及计算方法。

2．计算水平地震作用关键在于求出地震系数k和动力系数β。

一、地震概述

地震是一种地质现象，就是人们常说的地动，它主要是由于地球的内力作用而产生的一种地壳振动现象。据统计，地球上每年约有15万次以上或大或小的地震。人们能感觉到的地震平均每年达三千次，具有很大破坏性的达100次。每次中等程度的地震就会造成重大损失和人员伤亡，研究地震的危害和抗震的方法极有必要，目前已经研究到了多质点体系地震作用和整体结构的地震作用，但这些研究都离不开单质点地震作用的计算，我们组准备理论研究并在现有的计算基础上做一点拓展。

二.地震危害直接

2005年2月15日新疆乌什发生6.2级地震，经济损失达15757.43万元，主要是土木结构的房屋破坏严重。近期，云南普洱发生严重的地震，震中位于人口稠密的县城，造成严重的财产损失和人员伤亡。目前，因灾受伤群众为３００余人，其中３人死亡。全县各乡（镇）房屋受损严重，土木结构房屋墙体倒塌较多，砖混结构房屋普遍出现墙体开裂，承重柱移位。作为将来的结构工程师，抗震是我们拦路虎，必须加以重视，那我们先从基础理论着手。

三、单质点弹性体系的地震反应

目前，我国和其他许多国家的抗震设计规范都采用反应谱理论来确定地震作用。这种计算理论是根据地震时地面运动的实测纪录，通过计算分析所绘制的加速度（在计算中通常采用加速度相对值）反应谱曲线为依据的。所谓加速度反应谱曲线，就是单质点弹性体系在一定地震作用下，最大反应加速度与体系自振周期的函数曲线。如果已知体系的自振周期，那么利用加速度反应谱曲线或相应公式就可以很方便地确定体系的反应加速度，进而求出地震作用。

应用反应谱理论不仅可以解决单质点体系的地震反应计算问题，而且，在一定假设条件下，通过振型组合的方法还可以计算多质点体系的地震反应。

1．运动方程的建立

为了研究单质点弹性体系的地震反应，我们首先建立体系在地震作用下的运动方程。图2-1表示单质点弹性体系的计算简图。

由结构动力学方法可得到单质点弹性体系运动方程:

)()()()(t x m t kx t x c t x m g ?????=++ (2-3) 其中g x (t)表示地面水平位移，是时间t 的函数，它的变化规律可自地震时地面运动实测记录求得；x (t)表示质点对于地面的相对弹性位移或相对位移反应，它也是时间t 的函数，是待求的未知量。

若将式(2-3)与动力学中单质点弹性体系在动荷载)(t F 作用下的运动方程

)()()()(t F t kx t x c t x m =++??? (2-4) 进行比较，不难发现两个运动方程基本相同，其区别仅在于式(2-3)等号右边为地震时地面运动加速度与质量的乘积；而式(2-4)等号右边为作用在质点上的动荷载。由此可见，地面运动对质点的影响相当于在质点上加一个动荷载，其值等于)(t x m g ?

?，指向与地面运动加速度方向相反。因此，计算结构的地震反应时，必须知道地面运动加速度)(t x g ?

?的变化规律，而)(t x g ?

?可由地震时地面加速度记录得到。

为了使方程进一步简化，设 m k =

2ω (2-5) m

c km c ω22ζ== (2-6) 将上式代入式(2-3)，经简化后得：

)()(ω)(ζω2)(2

t x t x t x t x g ?????=++ (2-7) 式(2-7)就是所要建立的单质点弹性体系在地震作用下的运动微分方程。 2．运动方程的解答

式(2-7)是一个二阶常系数线性非齐次微分方程，它的解包含两个部分：一个是对应于齐次微分方程的通解；另一个是微分方程的特解。前者代表自由振动，后者代表强迫运动。

（1） 齐次微分方程的通解

为求方程(2-7)的全部解答，先讨论齐次方程

0)(ω)(ζω2)(2=++???t x t x t x (2-8) 的通解。由微分方程理论可知，其通解为：

)ωsin ωcos ()(t B t A e

t x t ′+′=ζω (2-9) 式中2ζ-1ω'ω=；A 和B 为常数，其值可由问题的初始条件确定。当阻尼力为0

时，式

(2-9)变为：

t B t A t x ωsin ωcos )(+= (2-10) 式(2-10)为无阻尼单质点体系自由振动的通解，表示质点做简谐振动，这里m k /ω=为无阻尼自振频率。对比式(2-9)和式(2-10)可知，有阻尼单质点体系的自由振动为按指数函数衰减的简谐振动，其振动频率为2ζ-1ω'ω=，'ω称为有阻尼的自振频率。

根据初始条件t=0可以确定常数A 和B ，将t=0和)0()(x t x =代入式(2-9)得：

)0(x A = 为确定常数B ，对时间t 求一阶导数，并将t=0，)0()(?

?=x t x 代入，得：

'ω)0(ζω)0(x x B +=

? 将A 、B 值代入式(2-9)得：

++=?t x x t x e t x t 'ωsin '

ω)0(ζω)0('ωcos )0()(ζω (2-11) 上式就是式(2-8)在给定的初始条件时的解答。

由2ζ-1'ωω=和ω2/ζm c =可以看出，有阻尼自振频率'ω随阻尼系数c 增大而减小，即阻尼愈大，自振频率愈慢。当阻尼系数达到某一数值r c 时，即

km m c c r 2ω2=== (2-12)

时，则0'ω=，表示结构不再产生振动。这时的阻尼系数r c 称为临界阻尼系数。它是由结构的质量m 和刚度k 决定的，不同的结构有不同的阻尼系数。而

r

c c m c ==ω2ζ (2-13) 上式表示结构的阻尼系数c 与临界阻尼系数r c 的比值，所以ζ称为临界阻尼比，简称阻尼比。

在建筑抗震设计中，常采用阻尼比ζ表示结构的阻尼参数。由于阻尼比ζ的值很小，它的变化范围在0.01～0.1之间，因此，有阻尼自振频率2ζ-1ω'ω=和无阻尼自振频率ω很接近，因此计算体系的自振频率时，通常可不考虑阻尼的影响。

（2） 地震作用下运动方程的特解

进一步考察运动方程(2-7)

)()(ω)(ζω2)(2t x t x t x t x g ?????=++

可以看到，方程与单位质量的弹性体系在单位质量扰力作用下的运动方程基本相同，区别仅在于方程等号右端为地震地面加速度)(t x g ??，所以，在求方程的解答时，可将)(t x g ??看作是随时间而变化的单位质量的“扰力”。

为了便于求方程(2-7)的特解，我们将“扰力”)(t x g ?

?看作是无穷多个连续作用

的微分脉冲，如图2-2所示。现在讨论任一

微分脉冲的作用。设它在τ-τd t =开始作

用，作用时间为τd ，此时微分脉冲的大小

为

τ)τ(d x g ??。显然，体系在微分脉冲作用后仅产生自由振动。这时，体系的位移可按式(2-3)确定。但式中的)0(x 和)0(?

x 应为微分脉冲作用后瞬时的位移和速度值。 根据动量定理：

τ)τ()0(d x x g ???= (2-14)

将)0(x =0和)0(?x 的值代入式(2-3)，即可求得时间τ作用的微分脉冲所产生的位移反应 τ)τ-('ωsin 'ω)

τ()τ-(ζωd t x e dx g t ??= (2-15)

将所有组成扰力的微分脉冲作用效果叠加，就可得到全部加载过程所引起的总反应。因此，将式(2-15)积分，可得时间为t 的位移

∫0)τ-(ζωτ)τ-('ωsin )τ('ω1)(t t g d t e x t x ?

?= (2-16) 上式就是非齐次线性微分方程(2-7)的特解，通称杜哈梅（Duhamel ）积分。它与齐次微分方程(2-8)的通解之和就是微分方程(2-7)的全解。但是，由于结构阻尼的作用，自由振动很快就会衰减，公式(2-9)的影响通常可以忽略不计。

分析运动方程及其解答可以看到：地面运动加速度)(t x g ?

?直接影响体系地震反应的大小；而不同频率（或周期）的单自由度体系，在相同的地面运动下会有不同的地震反应；阻尼比ζ对体系的地震反应有直接的影响，阻尼比愈大则弹性反应愈小。 四、 单质点弹性体系水平地震作用

1．水平地震作用基本公式

由结构力学可知，作用在质点上的惯性力等于质量m 乘以它的绝对加速度，方向与加速度的方向相反，即

+=????)()()(t x t x m t F g (2-17) 式中)(t F 为作用在质点上的惯性力。其余符号意义同前。 如果将式(2-3)代入式(2-17)，并考虑到)(t x c ?

远小于)(t kx 而略去不计，则得： )(ω)()(2t x m t kx t F == (2-18)

由上式可以看到，相对位移)(t x 与惯性力)(t F 成正比，因此，可以认为在某瞬时地震作用使结构产生相对位移是该瞬时的惯性力引起的。也就是为什么可以将惯性力理解为一种能反应地震影响的等效载荷的原因。

将式(2-16)代入式(2-18)，并注意到'ω和ω的微小差别，令ω='ω，则得：

∫0)τ-(ζωτ)τ-(ωsin )τ(ω)(t t g d t e x m t F ??= (2-19)

由上式可见，水平地震作用是时间t 的函数，它的大小和方向随时间t 而变化。在结构抗震设计中，并不需要求出每一时刻的地震作用数值，而只需求出水平作用的最大绝对值。设F 表示水平地震作用的最大绝对值，由式(2-19)得：

max 0)τ-(ζω∫τ)τ-(ωsin )τ(ωt t g d t e x m F ??= (2-20)

或 a mS F = (2-21) 这里 max 0)τ-(ζω∫τ

)τ-(ωsin )τ(ωt t g a d t e x S ??= (2-22)

令 m ax

βg

a x S ??= kg x g

=??max

代入式(2-21)，并以Ek F 代替F ，则得：

G k g mk F Ek ββ== (2-23)

式中 Ek F －水平地震作用标准值；a S －质点加速度最大值；max g x &&－地震动峰值加速度；

k －地震系数；β－动力系数；G －建筑的重力荷载代表值（标准值）

。 式(2-23)就是计算水平地震作用的基本公式。由此可见，求作用在质点上的水平地震作用Ek F ，关键在于求出地震系数k 和动力系数β。

2．地震系数 k

地震系数k 是地震动峰值加速度与重力加速度之比，即 g x k g max

&&= (2-24)

也就是以重力加速度为单位的地震动峰值加速度。显然，地面加速度愈大，地震的影响就愈强烈，即地震烈度愈大。所以，地震系数与地震烈度有关，都是地震强烈程度的参数。

3．动力系数β

动力系数β是单质点弹性体系在地震作用下反应加速度与地面最大加速度之比，即 max βg

a

x S ??= (2-25)

也就是质点最大反应加速度对地面最大加速度放大的倍数。

4．地震影响系数

为了简化计算，将上述地震系数k 和动力系数β的乘积用a 来表示，并称为地震影响系数。

βk a = (2-26) 这样，式(2-23)可以写成

aG F Ek = (2-27)

因为g

S x S g x k a a g

a

g

====???

?max max β (2-28) 所以，地震影响系数a 就是单质点弹性体系在地震时最大反应加速度（以重力加速度g 为单位）。另一方面，若将式(2-27)写成G F a Ek /=，则可以看出，地震影响系数乃是作用在质点上的地震作用与结构重力荷载代表值之比。

《抗震规范》就是以地震影响系数a 作为抗震设计依据的，其数值应根据烈度、场地类别、设计地震分组以及结构自振周期和阻尼比确定。

这时水平地震影响系数曲线按图2-3确定，形状参数和阻尼调整系数应按教材规定调整。

五，相关抗震的措施

抗震就是达到“小震没事，中震可修，大震不倒”。从上面的分析过程可以看出，首先就是从消耗地震带来的巨大能量入手，那么要增加体系的固有周期和它的柔度，现在通俗讲的就是柔度方案。关键是用哪一种材料，然后再从结构本身考虑。（一）：目前隔震支座广泛应用于建筑，桥梁领域。它的原理是在建筑层间设置隔震装置，大大降低隔震层的水平刚度，延长隔震体系的自震周期，减小结构的地震反应。常用的叠层橡胶支座具有较好的减震效果，但同时也会带来橡胶的老化等问题。（二）；现在又研究一种盆式橡胶支座，一方面它的钢盆具有较大的竖向承载能力，另一方面橡胶的高弹性和很好的韧性发挥了优势。还有就是两种结合，但总归我们的研究思路是（1）能稳定支承上部结构（2）水平刚度适中，具有一定的耗能性能（3）能适应下部结构与上部结构的相对位移（4）在强震作用下，减震系统发生大移动时不发生失稳（5）便于更换，耐久性好。

从结构方面，我们可以从梁和柱的连接方式着手，半刚性连接钢框架变形性能，耗能能力及延展性好，能满足抗震的要求，但相关的连接材料和连接方式需要我们将来在学习和工作中加以总结。

抗震还有多种方法，如上海的国际金融中心就是在高层挂一个大的水箱，来减少风震和地震带来的影响。