抗震设计中反应谱的应用

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弹塑性反应谱及其在抗震设计中的应用

关键词：弹性反应谱；塑性反应谱；性系数；震剪力；间位移弹延地层
中图分类号：Ｕ３１３Ｔｌ．
文章编号：０５— ８０２０）６— ７０— ４１０９３（０７００８０
Ｅｌｓｏｐａｔｓｏｓｐｃｒｍｎｔｐｉａｉｎａｔ－ｌｓｉＲｅｐｎｅＳｅｔｕｃａｄＩｓＡｐｌｔｓｃｏ
弹塑性反应谱及其在抗震设计中的应用
丁建国
（南京理工大学理学院，江苏南京２０９）１０４
பைடு நூலகம்
摘
要：由于当采用抗震规范中的弹性反应谱估算结构弹塑性变形时有许多局限性，文提出了该
在抗震设计中直接使用弹塑性反应谱计算在罕遇地震作用下结构的弹塑性反应。该文利用弹性反应谱和Ｖｎｉ模型中的Ｒ一一关系，过理论分析，导了弹塑性反应谱的一般表达式，ｉｄｃ通推并
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（ｃｏｌｆｃｎｅ，ＵＴａｊｇ２０９ＣｉａＳｈｏｏｉｃｓＮＳ，Ｎｎｉ１０４，ｈｎ）Ｓｅｎ
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地震反应谱名词解释

地震反应谱名词解释地震反应谱（Earthquake Response Spectrum）是指在给定的地震加速度作用下，单自由度弹性体系对于某个实际地震的加速度、速度和位移的最大反应（加速度、速度和位移）与体系的自振特征（自振周期或频率和阻尼比）之间的函数关系。

它描述了不同固有周期的地层或结构物在地震作用下的振动位移反应，由多种频率成分组成的振动曲线。

反应谱用于计算在地震作用下结构的内力和变形，是抗震设计中选择相应振动幅值的重要依据。

根据不同的需求和应用，反应谱可以分为加速度反应谱、速度反应谱和位移反应谱等类型。

地震反应谱在工程领域中起着至关重要的作用，它为抗震设计提供了关键的参考数据。

地震反应谱的研究可以帮助工程师们更好地了解和预测建筑物在地震过程中的反应，从而采取更有效的抗震措施。

地震反应谱的计算是一个复杂的过程，它涉及到地震动输入、结构体系的动态特性以及土壤-结构相互作用等多种因素。

在计算过程中，通常需要采用数值模拟、现场试验和理论分析等方法，以确保结果的准确性和可靠性。

地震反应谱的应用范围广泛，不仅可以用于新建建筑的抗震设计，还可以用于现有建筑的抗震评估和加固。

通过分析地震反应谱，工程师可以确定建筑物的薄弱环节，为加固工程提供依据。

此外，地震反应谱还可以为地震预警和应急预案制定提供参考。

在地震反应谱的研究过程中，我国学者付出了巨大的努力，取得了一系列重要成果。

这些成果为我国抗震事业的发展做出了突出贡献。

然而，地震反应谱的研究仍存在一定的局限性和不足之处，例如，对于非线性结构体系和复杂地质条件的处理能力有限。

因此，未来地震反应谱研究需要在以下几个方面继续深入探索：1.提高地震反应谱计算方法的准确性和可靠性，以适应不断变化的工程需求。

2.研究非线性结构体系在地震作用下的反应特征，以提高抗震设计的有效性。

3.探索土壤-结构相互作用对地震反应谱的影响，以更准确地预测建筑物在地震中的反应。

4.结合现场试验和数值模拟，深入研究复杂地质条件下地震反应谱的特点，为地震防灾减灾提供科学依据。

反应谱法在核电厂管道地震分析中的应用

反应谱法在核电厂管道地震分析中的应用摘要:核电厂常规岛管道地震分析一般采用等效静力法、反应谱法和时程分析法,反应谱法是其中最常用的一种方法。

以某核电厂的4号低压加热器抽汽管道为例,采用CAESARII管道应力分析软件,介绍反应谱法的具体应用。

关键词:核电厂动态计算地震反应谱分析我国“十二五”规划中,明确了大力发展清洁能源的战略目标。

为减小碳排量,核电厂在我国的能源比例将越来越大。

在2011年日本大地震引起海啸和核危机后,世界各核电厂对安全性评价都提出了更高的要求,均加强了对地震的分析设计。

专业管道应力分析软件CAESARII 被广泛地应用于石化、电力、钢铁等行业。

本文以某核电厂常规岛4号低压加热器抽汽管道为例,介绍采用CAESARII软件对地震荷载进行反应谱分析的方法。

1 反应谱法地震反应谱就是体系在地震作用下,某个最大反应量(位移,速度,加速度等)与体系自振周期的关系曲线。

地震反应谱法是利用振型分解法,将多自由度体系的地震反应转化为单自由度体系来进行分析;得出管道在地震作用下的反应值,包括位移、应力和对设备的推力和推力矩;通过调整支吊架设计或管道布置等方法,以满足规范应力与设备允许推力和推力矩的要求。

1.1 单自由度体系地震反应单自由度弹性体系在地震作用下的运动方程如下式所示[1]。

1.2 多自由度体系的地震反应假定管道体系的地震反应是弹性的,并不考虑非线性等影响,同时离散管道元件的质量,得如下表示的管道地震运动方程[1]。

由上述分析可知,振型分解法其实就是将各个主振型分量加以叠加,从而得出质点的总位移,故又称为振型叠加或振型组合。

由于各振型最大反应不在同一时刻发生,依据随机理论分析,通常采用平方和开方的方法(SRSS法)计算体系的最大地震反应[2]。

2 具体实例2.1 设计模型某核电厂常规岛的4号低压加热器抽汽管道的模型如图1所示。

汽机抽气口的管道规格为OD610x9.53,母管规格OD914×12.7 mm,材质均为A691Cr1-1/4CL22,设计参数为1 MPa·g 249 ℃。

地震响应的反应谱法与时程分析比较

地震响应的反应谱法与时程分析比较地震响应分析是地震工程领域中一项重要的研究内容，用于描述地震荷载对结构物产生的动态响应。

常用的地震响应分析方法有反应谱法和时程分析法。

反应谱法和时程分析法在地震响应分析中各有优缺点，本文将对两种方法进行比较。

首先，反应谱法是一种基于地震输入和结构特性的简化方法，适用于结构相对简单、不涉及复杂非线性行为的分析。

反应谱法通过建立结构的响应谱与地震输入谱进行比较，确定结构的最大响应，并用于设计结构的抗震能力。

反应谱法的优点在于简化计算过程，能够提供结构的峰值加速度、速度以及位移等重要参数。

同时，反应谱法可以通过改变地震输入谱来研究结构的响应变化情况，从而进行参数分析和优化设计。

然而，反应谱法也有一些缺点，例如只考虑了结构的最大响应，对于结构的时间历史响应和非线性行为的分析能力有限。

相比之下，时程分析法是一种更为精确和全面的地震响应分析方法。

时程分析法基于结构的动力学特性，通过模拟地震波在结构上的传播和结构的动力响应，计算出结构各个时刻的加速度、速度和位移等响应参数。

时程分析法适用于复杂结构和涉及非线性行为的分析，能够提供结构的详细时程响应，并能够考虑结构的动力参数变化和非线性效应。

时程分析法的优点在于可以全面考虑结构的动态响应特性，对于复杂结构和高等级抗震设计具有更好的适应性。

然而，时程分析法需要大量的计算资源和长时间的计算周期，对于大型结构和大规模的地震模拟较为困难，并且需要考虑更多的输入参数和模型假设，使得计算过程更加复杂和繁琐。

总的来说，反应谱法和时程分析法在地震响应分析中各有优劣。

反应谱法适用于结构相对简单、不涉及复杂非线性行为的分析，计算简化，能够提供结构的峰值响应参数。

时程分析法适用于复杂结构和涉及非线性行为的分析，可以提供更为详细的结构时程响应，但计算复杂度较高。

在实际工程中，根据不同的需求和分析对象，可以选择合适的方法进行地震响应分析。

在抗震设计中，反应谱法常用于结构的初步设计和抗震性能评估，时程分析法常用于重要工程和要求准确分析的结构。

地震动位移反应谱分析及抗震设计谱

03
抗震设计谱基础
抗震设计谱定义
地震动位移反应谱是一种描述结构在地震动作用下，各个方向和各个频率地震动加速度、速度和位移反应的曲线。
抗震设计谱是基于地震动位移反应谱，针对特定结构和场地条件，进行结构抗震设计和分析的工具。
抗震设计谱特性
地震动峰值和频谱形状：这些特性可以根据场地条件和地震危险性评估来确定。
非线性特性是由于地震动强度与结构位移反应之间的非线性关系所导致的。在地震动强度较小的情况下，结构位移反应与地震动强度呈线性关系；而在地震动强度较大的情况下，结构位移反应的增长速度会逐渐放缓。
随机性特性是由于地震动的随机性所导致的。地震动是一种复杂的自然现象，其运动规律难以精确预测，因此地震动位移反应谱也是随机的。
结构阻尼矩阵：结构阻尼矩阵可以包括质量阻尼矩阵和刚度阻尼矩阵，用于描述结构在地震动作用下的振动特
性。
抗震设计谱通常具有以下特性
结构自振频率和阻尼比：这些特性可以根据结构类型和尺寸来确定。
抗震设计谱编制方法
基于地震动位移反应谱的抗震设计谱编制方法通常包括以下步骤
根据位移反应谱，进行结构抗震设计和分析，得到结构的抗震性能指标和设计参数。
地震动位移反应谱分析及抗震设计谱
2023-11-08
目录
• 引言 • 地震动位移反应谱基础 • 抗震设计谱基础 • 地震动位移反应谱与抗震设计谱的关系 • 应用案例分析 • 结论与展望
01
引言
研究背景与意义
地震是一种严重的自然灾害，给人类社会带来了巨大的损失。因此，对地震动位移反应谱进行分析，对抗震设计谱进行研究，对于减轻地震灾害具有重要意义。
抗震设计谱编制
根据地震动位移反应谱，结合建筑物的抗震设防要求，编制出适用于该地区行分析，评估其合理性和有效性，确保其能够充分考虑地震动的特性和规律，为建筑物的抗震设计提供科学依据。

抗震设计中反应谱的应用讲课教案

抗震设计中反应谱的应用抗震设计中反应谱的应用一．什么是反应谱理论在房屋工程抗震研究中，反应谱是重要的计算由结构动力特性所产生共振效应的方法。

它的书面定义是“在给定的地震加速度作用期间内，单质点体系的最大位移反应、速度反应和加速度反应随质点自振周期变化的曲线。

用作计算在地震作用下结构的内力和变形”，反应谱理论考虑了结构动力特性与地震动特性之间的动力关系，通过反应谱来计算由结构动力特性（自振周期、振型和阻尼）所产生的共振效应，但其计算公式仍保留了早期静力理论的形式。

地震时结构所受的最大水平基底剪力，即总水平地震作用为：FEK = kβ(T)G式中，k为地震系数，β(T)则是加速度反应谱Sa(T)与地震动最大加速度a的比值，它表示地震时结构振动加速度的放大倍数。

β(T)=Sa(T)/a反应谱理论建立在以下基本假定的基础上：1)结构的地震反应是线弹性的，可以采用叠加原理进行振型组合；2)结构物所有支承处的地震动完全相同：3)结构物最不利地震反应为其最大地震反应：4)地震动的过程是平稳随机过程。

二．实际房屋抗震设计中的应用为了进行建筑结构的抗震设计，必须首先求得地震作用下建筑结构各构件的内力。

一般而言，求解建筑结构在地震作用下构件内力的方法主要有两种，一种是建立比较精确的动力学模型进行动力时程分析计算，这种方法比较费时费力，其精确度取决于动力学模型的准确性和所选取地震波是否适当，并且对于工程技术人员来说，这种方法不易掌握；第二种方法是根据地震作用下建筑结构的加速度反映，求出该结构体系的惯性力，将此惯性力作为一种反映地震影响的等效力，即地震作用，然后进行抗震计算，抗震规范实际上采用了第二种方法，即地震作用反应谱法。

实践也证明此方法更适合工程技术人员采用。

由于目前抗震规范中的地震作用反应谱仅考虑结构发生弹性变形情况下所得的反应谱，因此当结构某些部位发生非线性变形时，抗震规范中的反应谱就不能适用，而应采用弹塑性反应谱来进行计算。

地震反应谱与设计反应谱的关系

地震反应谱与设计反应谱的关系
地震反应谱（Seismic Response Spectrum）和设计反应谱（Design Response Spectrum）是结构工程领域用于描述结构在地震加载下的动态响应的两个重要概念。

它们之间的关系通常涉及到地震工程中的性能目标和安全设计。

地震反应谱（Seismic Response Spectrum）：
地震反应谱是描述地震动对结构产生的动态响应的图形或曲线。

它以一系列固定周期的加速度响应值为基础，表示结构在不同周期下的最大动态响应。

地震反应谱通常由地震工程师使用，用于评估结构的地震性能和指导结构设计。

设计反应谱（Design Response Spectrum）：
设计反应谱是从地震反应谱中推导出来的，经过调整以用于结构设计。

在设计反应谱中，通常考虑到结构的性能目标、安全系数和设计地震。

它是地震设计规范中用于规定结构抗震性能的一个工具。

关系：
1.基础关系：设计反应谱通常基于地震反应谱进行修正，以考虑
结构设计的安全性和性能目标。

设计反应谱是实际设计中使用
的基准。

2.性能目标：地震反应谱提供了结构在地震中的实际响应情况，
而设计反应谱更关注结构达到特定性能目标时的加速度。

3.安全性：设计反应谱中通常包括了安全系数，考虑了结构在设
计地震下的可靠性和安全性。

这些安全系数是地震规范和设计
准则中规定的。

总体而言，设计反应谱是根据实际结构需求进行调整的地震反应谱版本，它考虑了结构的性能目标和安全性要求，以确保结构在设计地震下的适当性能。

在实际工程中，设计反应谱是工程师用于规划和设计结构的重要工具。

《地震反应谱》课件

新材料与新结构
随着新型材料和结构的出现，研究其在地震作用下的反应特性，对于完善地震反应谱理论具有重要意义。
多维地震动输入
目前地震反应谱主要考虑水平地震动输入，未来研究可以扩展到多维地震动输入，包括竖向和扭转分量，以更全面地评估结构的抗震性能。
跨学科合作
加强地震工程学与其他相关学科（如物理学、数学、生物学等）的合作，从多角度深入研究地震反应谱的内在机制和影响因素。
人工智能技术
人工智能技术在数据处理、模式识别等方面具有优势，未来可以应用于地震反应谱的计算和分析中，提高计算效率和准确性。
复杂结构体系的研究
高层建筑
随着城市化进程的加速，高层建筑的数量不断增加，对高层建筑的地震反应谱研究将更加深入。
地下结构
地下结构如地铁、隧道等在地震作用下的反应与地面结构有所不同，未来将加强这方面的研究。
详细描述
在结构抗震设计中，地震反应谱用于描述结构在地震作用下的反应特性，包括加速度、位移、速度和加速度谱等。这些数据可以帮助工程师评估结构的抗震性能，并优化结构的设计，提高其抵抗地震的能力。
结构健康监测
总结词
结构健康监测是另一个地震反应谱的重要应用领域，通过实时监测结构的反应谱数据，可以及时发现结构的损伤和异常，保障结构的安全。
地震反应谱的重要性
总结词
地震反应谱是抗震设计的基础，有助于确定结构在地震作用下的响应和破坏程度。
详细描述
地震反应谱在抗震设计中扮演着至关重要的角色。通过分析地震反应谱，工程师可以了解结构在不同频率的地震作用下的响应特性，从而有针对性地进行结构设计和优化。这对于确保结构在地震发生时能够保持稳定，避免或减少破坏具有重要意义。

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抗震设计中反应谱的应用
一．什么就是反应谱理论
在房屋工程抗震研究中,反应谱就是重要的计算由结构动力特性所产生共振效应的方法。

它的书面定义就是“在给定的地震加速度作用期间内,单质点体系的最大位移反应、速度反应与加速度反应随质点自振周期变化的曲线。

用作计算在地震作用下结构的内力与变形”,反应谱理论考虑了结构动力特性与地震动特性之间的动力关系,通过反应谱来计算由结构动力特性(自振周期、振型与阻尼)所产生的共振效应,但其计算公式仍保留了早期静力理论的形式。

地震时结构所受的最大水平基底剪力,即总水平地震作用为:
FEK = kβ(T)G
式中,k为地震系数,β(T)则就是加速度反应谱Sa(T)与地震动最大加速度a的比值,它表示地震时结构振动加速度的放大倍数。

β(T)=Sa(T)/a
反应谱理论建立在以下基本假定的基础上:1)结构的地震反应就是线弹性的,可以采用叠加原理进行振型组合;2)结构物所有支承处的地震动完全相同:3)结构物最不利地震反应为其最大地震反应:4)地震动的过程就是平稳随机过程。

二．实际房屋抗震设计中的应用
为了进行建筑结构的抗震设计,必须首先求得地震作用下建筑结构各构件的内力。

一般而言,求解建筑结构在地震作用下构件内力的方法主要有两种,一种就是建立比较精确的动力学模型进行动力时程分析计算,这种方法比较费时费力,其精确度取决于动力学模型的准确性与所选取地震波就是否适当,并且对于工程技术人员来说,这种方法不易掌握;第二种方法就是根据地震作用下建筑结构的加速度反映,求出该结构体系的惯性力,将此惯性力作为一种反映地震影响的等效力,即地震作用,然后进行抗震计算,抗震规范实际上采用了第二种方法,即地震作用反应谱法。

实践也证明此方法更适合工程技术人员采用。

由于目前抗震规范中的地震作用反应谱仅考虑结构发生弹性变形情况下所得的反应谱,因此当结构某些部位发生非线性变形时,抗震规范中的反应谱就不能适用,而应采用弹塑性反应谱来进行计算。

因此选用合适的弹塑性反应谱并提出适当的地震作用计算方法在我国抗震设计中具有重要的现实意义。

弹塑性反应谱种类繁多,主要包括等延性强度需求谱与等强度延性需求谱,其实质就是确定强度折减系数R,延性系数,以及结构周期T之间的关系。

下面就普通房屋设计中的弹塑性反应谱设计来举例说明。

反应谱就是指单自由度体系对于某地面运动加速度的最大反应与体系的自振特性(自振周期与阻尼比)之间的函数关系。

抗震规范中所采用的弹性反应谱如图1所示⋯ ,它就是在计算了大量地面运动加速度的基础上,确定地震影响系数与特征周期T之间关系的曲线
图一:地震影响系数曲线
图一中绘出的弹性加速度反应谱其表达式如下
2max max (0.45)/0.10.45T αηαα=-+ 00.1s T s <≤
max 2ααη=
0.1g s T T <≤ 2max ()g
T T γαηα= 5g g T T T <≤
21max [0.2(5)]g T T γαηηα=-- 56g T T s <≤
其中,
γ为曲线下降段衰减系数,0.9(0.05)/(0.55)γξξ=+-+;
ξ为阻尼比;
2η为阻尼比调整系数,21(0.05)/(0.06 1.7)ηξξ=+-+;
1η为直线下降段斜率调整系数,10.02(0.05)/8ηξ=+-;
g T 为场地土的特征周期;
max α为最大地震影响系数。

依据适当的模型,列出相应关系模型式,再将各相应系数带入,即可得到建立在此模型上的弹塑性反应谱。

在应用弹性反应谱对多层房屋进行抗震设计时,通常将每一层楼面或楼盖的质量及上下各一半的楼层结构质量集中到楼面或楼盖标高处,作为一个质点,并假定由无重的弹性直杆支撑于地面,把整个结构简化成1个多质点弹性体系。

多自由度体系的水平地震作用可用各质点所受的惯性力来代表,故对应于第j 振型质点i 上的水平地震作用为
max e ji i aj ji j F m S X γ=
式中,
max ji F 表示对应于第j 振型质点i 上的最大水平地震作用;
i m 表示质点i 的质量;
e aj
S 表示第j 振型下质点i 的最大绝对加速度反应; ji X 表示第j 振型下质点i 的位移幅值;
j γ 表示第j 振型参与系数。

根据随机振动理论,如假定地震时的地面运动为平稳随机过程,则对于各平动振型产生的地震作用效应可近似地采用“平方与开方”法确定,因此第i 层剪力可由下式表示
i V == 当发生罕见地震时,由于地震作用比多遇到地震时的地震作用要大得多,因此若假设第i,i+1,… ,i+L 层已经发生塑性变形,这时上式变为
i V = 第i 层层间位移为
/p i i i X V k μ∆=
式中,
i V 表示第i 层的楼层剪力;i k 表示第i 层的楼层侧移刚度。

利用以上的一系列公式就能利用反应谱法设计结构的抗震性能。

三．我的心得体会
在进行建筑结构的抗震设计时,必须首先求得地震作用下建筑结构各构件的内力。

反应谱法以其特有的简洁,直观,易于掌握等特点,称为了在房屋设计中抗震设计的首选方法。

将结构体系的惯性力当做地震的等效力的方法也更接近实际情况,避免了因为近似取模型造成的过大误差。

总而言之,反应谱方法通过反应谱的概念,既考虑了结构动力特性与地震动特性之间的关系,又充分应用了静力理论,巧妙地将动力问题静力化,使复杂的结构地震作用及其效应的计算变得简单易行。

但就是,综合这两天我对相关文献的阅读,我发现反应谱法还就是有许多问题,例如由于实际条件所限,可能不能充分体现结构自重对构件内力的影响,可能导致模型的破坏形态与结
构在地震作用下的实际破坏形态不完全相同,又例如计算中相关系数众多,而且系数的取值范围比较宽泛,容易导致计算结果误差范围过大,失去参考价值,因此反应谱法还就是有继续完善的空间,值得我们去研究改善。