框架结构竖向地震作用加速度反应谱及计算简析
高层建筑地震作用时程分析法计算要点

建筑技术开发Building Technology Development 建筑设计Architectural Design 第48卷第5期2021年3月(1 )髙度不超过40 m 且以剪切变形为主并且质点和刚度沿高度分布均匀的结构(2)近似于单质点体系的结构(1 >不满足底部剪力法适用条件(2)高层建筑(3)质M 和刚度不对称不均匀的结构、超过 100 m 的髙层应采用考虑扭转耦联振动影响的方法(CQC )(4) _度大于24m 的楼盖、跨度大于12 m 的转换与连抹结构、悬挑长度大于5 m 的悬挑结构,竖向地震作用效应标准值| (丨)特别不规则的结构(2)甲类建筑(3 ) 7-9度时,髙规所列高度的乙丙类建筑 | (4)不满足高规所列高度的竖向不规则结构)(8 )平面投影尺度很大的空间结构(跨度大于120m 或长度大于300m 或悬臂大于40m ),7度III 和IV 类场地和8、9度时,用此法计算i f f B 级高度高层、混合结构和复杂高层建筑竖向)[静力法1—取结构或构件重力的一定百分数作为竖向地震作用地震作用计算方法J 1反应谱法按阵型分解反应谱法计算竖向地震作用f 百分数法规定结构或构件所受到的竖向地震作用为水平地震作用的某一百分数图1地震作用计算方法2.4 反应谱不同振型分解法采用的是考虑了震动强度与平均频谱特性的 设计谱,时程分析法全面反映了地震动强度、谱特征与持续时间三要素。
|(5) B 级高度的高层、混合结构和复杂高层建筑||(6)结构顶层取消部分墙.柱形成的空旷房间时1(7 >跨度大于24m 的楼盖,跨度大于12tn 的转换与连体结构.悬桃长度大于5m 的悬挑结构,竖向地震作用效应标准值高层建筑地震作用计算方法包括底部剪力法、振型分解 反应谱法(以下简称反应谱法)、时程分析法(以下简称时程 法)、弹塑性静力或动力分析法、静力法及百分数法。
其中底部剪力法和反应谱法是基本方法,时程分析法则是高层建筑 地震作用计算中有效的补充计算方法。
地震作用和结构抗震验算工程,振动,稳定

FF (t)ma x m x (t) x g(t)ma x ma S
mgxg(St)amaxxg(tg)maxGkG
G mg ---集中于质点处的重力荷载代表值;
g ---重力加速度
k xg (t ) max ---地震系数 g
Sa xg (t) max
---动力系数
k ---水平地震影响系数
单质点弹性体系计算简图 (a)单层厂房及简化体系;(b)水塔及简化体系
.
第八章 地震作用和结构抗震验算
地震作用反应谱理论大体有如下三点假定:
1)结构物的地基为一刚性盘体,因此基础各点的运动 完全一致,没有相位差。 2)结构处于线性弹性状态。 3)地震时的地面运动过程可以用地震记录来表示。
.
第八章 地震作用和结构抗震验算
最大相对位移
S d x (t)m a1 x 0 t x g ()e (t )si(n t)dmax
最大相对速度 S vx (t)ma x0 t x g()e (t )sin (t)dmax
最大加速度 S a x (t) x gm ax0 t x g ()e (t )si( n t)dma
因此需要根据大量的强震记录计算出对应于每一条强 震记录的反应谱曲线,然后统计求出最有代表性的平均 曲线作为设计依据,这种曲线称为标准反应谱曲线。
加速度( )
标准化
加速度( )
周期( )
.
周期( )
第八章 地震作用和结构抗震验算
5、抗震设计反应谱
为了便于计算,《抗震规范》采用水平地震影响 系数α与体系自振周期T之间的关系作为设计用 反应谱。(基于标准反应谱曲线)
Sa
g
xg
max
g
xSgamaxk
框架结构竖向地震作用加速度反应谱及计算简析

地震作用可以分为水平方向与竖 是一种较为简略的计算方法,其公式 中不在详细阐述。 直方向两个方向的作用,在以往的观 如下 : 1.4 静力法与反应谱法的计算对比 念中,竖向地震作用对建筑结构所造 通 过 sap2000 数 值 分 析 软 件 建 立 FEvk = α v max Geq 成的破坏远不如水平地震作用所带来 一个 4 层框架模型,抗震设防烈度为 8 的大。但是自 1995 年日本的阪神大地 Gi H i 度,场地等级为Ⅱ类场地,特振周期 Fvi = FEvk 震后竖向地震作用这一概念渐渐被人 Tg =0.4s,水平地震影响最大影响系数 Gi H i 们所重视起来。 0.16,竖向地震最大影响系数为水平 FEvk = α v max G 我国现行的抗震规范中也只对在 地震最大影响系数的 65%,结构采用 eq 其中 为竖向地震影响系数最 高烈度地区的高层建筑及一些特殊的 大值,规范中取水平地震影响系数最 C30 混凝土,梁柱主筋采用 HRB335 钢 大跨度、长悬臂结构才会在设计中考 大值的 0.65 倍。 筋, 箍 筋 使 用 HPB235 级 钢 筋, 本 例 虑加上竖向地震作用对其的影响,而 1.2 竖向地震时程分析法 只涉及到底部剪力法和反应谱法所两 在一般的建筑设计中则不会考虑到竖 所谓时程分析是指在知道结构基 种方法所计算出的竖向轴力结果对比 向地震作用所带来的影响。根据水平 本运动方程后,输入地面的震动加速 如下图所示 : 与 竖 向 地 震 作 用 加 速 度 的 比 值 (V/H 度记录然对其进行积分求解,以求得 比 ),我们可以据此了解某次地震中竖 整个时间历程的地震反应的计算方法。 向地震作用相对于水平地震作用所带 对于高层建筑,将其视为一连串的多 来的危害大小。根据多次的地震记录, 质点运动体系在考虑竖向地震作用时 在一般情况下,地震作用的加速度 V/ 其方程如下所示 : H 比值大约在 0.5~0.65 左右,而在现 } + [ K ]{ y} = − [ M ]{I }{ZV } y} + [C ]{ y [ M ]{ 有的国内外许多资料中,不难发现许 多的地震记录中 V/H 比达到 1}甚至有 } + [ K ]{ y} = − [ M ]{I }{ZV } y + [ C ]{ y [ M ]{ 竖向地震加速度超过水平地震作用加 速度的记录。例如,1979 年的美国帝 [M ], [K ] ------- 结构质量、 [C ], 国山谷地震 [1] 中 V/H 比值平均分布在 阻尼、刚度矩阵 ; 0.77 左右,但其中的最大值达到了 2.4, {I } ------- 单位向量 1994 年 美 国 Northridge 地 震, 记 录 到 }, {y} ------- 竖向加速 }, {y y { V/H 比值约为 1.79,1995 年的阪神大 度,速度和位移 地震和我国的唐山大地震的某次余震 {ZV } ------- 地面竖向加速度向 的记录中也发现,V/H 比值约在 1.0 左 量 右。 1.3 反应谱计算法 综上所述,竖向地震作用的危险 相较于水平地震作用的反应谱法, 性不容忽视,在对地震灾害的防御措 竖向地震的反应谱的计算方法与其大 施中,必须要考虑到竖向地震作用对 致 相 似, 仅 仅 有 一 些 参 数 稍 有 改 变。 其的影响,尤其是在高烈度地区和地 先求出单一振型的最大地震作用 Fij 之 震频发区中更是不容忽视。由于 V/H 后便可以由此推知结构由于地震作用 比值的不确定性,所以对其直接取值 图1:底部轴力法所得轴力 所产生的弯矩、剪力、轴力及位移等, 0.65 是不准确的,对竖向地震作用的 Fij 的计算公式如下 : 计算方法的研究也有待完善。 从图中可以发现振型分解反应谱 Fij = α j γ j X ji Gi ( i = 1,2, m; j = 1, 2, ,n ) 1 竖向地震作用计算方法介绍 法所得出的计算结果相较于底部轴力 1.1 底部轴力法(静力法) 法要平均高出 10% 左右,由以上结论 当求出所有振型的 Fij 之后便可利 我国现行规范中对于竖向地震作 用 SRSS (平方和开方法) 或者 CQC (完 可知静力法在计算框架结构的竖向地 用的计算便采用的是底部轴力法也叫 全平方根组合法)将其进行整合,从 震作用时精确度尚可,可随着楼层的 静力法,根据水平地震作用中的底部 而得到最后所需的最后结果。 增加,这两种方法起初在框架结构的 剪力法而将其乘以一个折算系数后将 除以上计算方法外还有冲量原理 最顶层时所得的结果相差很小,之后 其应用到竖向地震中的一种方法。这 法、数值分析法和拟静力法等。本文 轴力就随着楼层的降低两者之间的差
结构自振周期及振型的实用计算方法

n
mN
n
Meq
m
∑
i =1
m i (ω 1 x i ) 2
单质点体系的最大动能为
T 2 max = 1 M 2
eq
m 1
x 1
(ω 1 x m ) 2
xm = xn
xm ---体系按第一振型振动时,相应于折算质点处的最大位移; ---体系按第一振型振动时 相应于折算质点处的最大位移; 体系按第一振型振动时,
T = 0.22 + 0.35H / 3 B 1
H---房屋总高度;B---所考虑方向房屋总宽度。 ---房屋总高度; ---所考虑方向房屋总宽度。 房屋总高度 所考虑方向房屋总宽度 (2)高度低于50m的钢筋混凝土框架-抗震墙结构的基本周期 高度低于50m的钢筋混凝土框架50m的钢筋混凝土框架
T = 0.33+ 0.00069H2 / 3 B 1
T =1.7 ∆bs
本方法适用于质量及刚 度沿高度分布比较均匀 的任何体系结构。
补充: 补充:自振周期的经验公式
根据实测统计,忽略填充墙布置、质量分布差异等, 根据实测统计,忽略填充墙布置、质量分布差异等,初 步设计时可按下列公式估算
(1)高度低于25m且有较多的填充墙框架办公楼、旅馆的基本周期 高度低于25m且有较多的填充墙框架办公楼、 25m且有较多的填充墙框架办公楼
FVi =
GiH i
n
∑G
j =1
F EVK ---质点i的竖向地震作用标准值。 ---质点 的竖向地震作用标准值。 质点i
j
j
H
规范要求: 度时 高层建筑楼层的竖向地震作用 度时, 规范要求:9度时,高层建筑楼层的竖向地震作用 效应应乘以 的增大系数。 应乘以1.5的增大系数 效应应乘以 的增大系数。
土木工程抗震第3章教案工程结构地震反应分析与抗震验算

第3章 工程结构地震反应分析与抗震验算1、地震作用的计算方法:底部剪力法(不超过40m 的规则结构)、振型分解反应谱法、时程分析法(特别不规则、甲类和超过规定范围的高层建筑)、静力弹塑性方法。
一般的规则结构:两个主轴的振型分解反应谱法;质量和刚度分布明显不对称结构:考虑扭转或双向地震作用的振型分解反应谱法;8、9度时的大跨、长悬臂结构和9度的高层建筑:考虑竖向地震作用。
2、结构抗震理论的发展:静力法、定函数理论、反应谱法、时程分析法、非线性静力分析方法。
3、单自由度体系的运动方程:g xm kx x c x m -=++或m t F x x x e /)(22=++ωξω 。
杜哈美积分x(t)= ⎰----tt t e xd )(g dd )(sin )(1ττωτωτξω , ωξωm cm k 2,2== 单自由度体系自由振动:)sin cos ()(d d000t x xt x e t x d t ωωξωωξω++=- 。
4、最大反应之间的关系:d v a S S S 2ωω==5、地震反应谱:单自由度体系在给定的地震作用下某个最大反应与体系自振周期的关系曲线。
特点:⑴阻尼比对反应谱影响很大;⑵对于加速度反应谱,当结构周期小于某个值时幅值随周期急剧增大,大于某个值时,快速下降;⑶对于速度反应谱,当结构周期小于某个值时幅值随周期增大,随后趋于常数;⑷对于位移反应谱,幅值随周期增大。
地震反应谱是现阶段计算地震作用的基础,通过它把随时程变化的地震作用转化为最大等效侧向力。
6、单自由度体系的水平地震作用:F G k G gt x t xS mgg g a αβ===maxmax)()(β为动力系数,k 为地震系数,α=k β为水平地震影响系数。
7、抗震设计反应谱αmax 地震影响系数最大值,查表;T 为结构周期;T g 为特征周期,查表;例:单层单跨框架。
屋盖刚度为无穷大,质量集中于屋盖处。
工程地震与结构抗震(12)-竖向地震反应与P-Δ效应

0.10(0.15) 0.20
长悬臂和其他大跨度结构的竖向地震作用计算 对于长悬臂和其它大跨度结构的竖 向地震作用标准值,8度和9度可分别取 该结构、构件重力荷载代表值的10%和
20%,设计基本地震加速度为0.30g时,
可取该结构构件重力荷载代表值的15%。
六.规范规定(5.3 竖向地震作用)
规范5.3.1条规定 对于9度的高层建筑,其竖向地震作用标准值应按公式
二.竖向地震动特性
1. 振幅 一般情况下,竖向加速度为水平向的1/2 — 2/3,但在 大地震的针中附近,约为0.5 — 2.4。 记录到的最大竖向加速度:1.7g(1979年10月15日美 国英佩里亚尔河谷地震)。
2. 频谱
(1) 就反应谱的形状而言,水平向的卓越周期带包括更多 长周期成分(强地震动的竖向分量比水平分量具有更 多的高频分量) (2) 就反应谱的数值而言,水平向较大
国外抗震规范中需要考虑竖向地震的结构:
目前,国外抗震设计规定中要求考虑竖向地震作用的 结构或构件有: 1.长悬臂结构; 2.大跨度结构; 3.高耸结构和较高的高层建筑; 4.以轴向力为主的结构构件(柱或悬挂结构); 5.砌体结构; 6.突出于建筑顶部的小构件。 我国抗震规范中需要考虑竖向地震的结构: 我国抗震设计规范规定前三类结构要考虑向上或向下 竖向地震作用的不利影响。
四.P-Δ效应
在线性体系中,P-Δ效应影响也会产生非线性影响。而是 对于高耸结构和非线性结构,这一影响特别重要。
如图所示单质点体系中,当考虑P-Δ影响时,相对位移 u 产生
的次生效应为一作用于支承点的弯矩
v ) u F (t ) M(v
g
F( t) P(t)
它相当于在水平向的一个附加力
地震作用计算——地震反应分析

地震作用下结构的计算方法
确定性方法
非确定性方法——随机振动分析
静态分析(最不利状态分析)
动态分析(全过程时程分析)
等效静力法
反应谱理论
弹性全过程分析
弹塑性全过程分析
简化的底部剪力法
振型分解反应谱法
四、对结构地震反应分析的基本认识
难以准确计算
原因: 1.需准确知道地面运动,而这是不确定的;
2.结构材料的力学性能的不确定性;
0 0 M2
k11 2 M 1 k21
2
k12 0 2 M2
1 k11 k22 k11k22 k12 k21 m1m2 2 m1 m2
2
1 k11 k22 2 m1 m2
单质点体系
部分塔柱质量
4.2.1 结构体系的振动模型及通常的简化假定
c、多、高层建筑 d、烟囱
根据上述可以对某些结构进行简化,如下图示: (a) 水塔 (b) 厂房 厂房 (a) 水塔 (b)
(c) 多、高层建筑 c) 多、高层建筑
各跨质量
主要质量:楼盖部分 集中到各跨屋盖标高处
结构无明显主要质量部分
k 2 M 0
由此可求出n个圆频率,其中最小的叫第一圆频率。 将wi 依次回代方程可得到相对的振幅{X}i,即为振型。
4.2.2 振动微分方程及解答 二、多自由度体系
例:若为两个自由度,令n=2,则有
k11 k 21
k12 M1 2 k22 0 k22
单质点单 自由度
3质点3自 由度
单质点2 自由度
4.2.1 结构体系的振动模型及通常的简化假定 根据上述可以对某些结构进行简化,如下图示:
结构抗震设计 第3章-3

三、考虑扭转的振型分解反应谱法
考虑扭转地震效应时水平地震作用标准值 的计算公式:
Fxji j tj x jiGi Fyji j tj y jiGi
Fxji
y
质心
Ftji
x
Fyji
Ftji j tj ri 2 jiGi
tj ---考虑扭转的j振型参与系数;
n n
j振型i层质心处地震作用
K Y K Y
ny
T s
s 1
nx
X
s
s
xnr
X r KY r X r
T r 1
xir--第i层第r榀y方向框架的x向座标;
16
三、考虑扭转的振型分解反应谱法
求振型和频率时可不计阻尼
M D K D 0
Ftji j tj ri 2 jiGi
x ji、y ji
---分别为j振型i层的x、y方 向的水平相对位移; ---为j振型i层的相对扭转角;
ji
y
质心
Ftji
j
ri
---j振型周期Tj对应的地震 影响系数;
Ji / Mi
Fxji
x
Fyji
20 j振型i层质心处地震作用
---i层转动半径;
结构抗震设计
1
3.6 结构竖向地震作用
竖向地震运动是可观的:
根据观测资料的统计分 析,在震中距小于200km范 围内,同一地震的竖向地面 加速度峰值与水平地面加速 度峰值之比av/ah平均值约为 1/2,甚至有时可达1.6。
竖向地震作用的影响是显著的:
根据地震计算分析,对于高层建筑、高耸及大跨结构影 响显著。结构竖向地震内力NE/与重力荷载产生的内力NG的比 值沿高度自下向上逐渐增大,烈度为8度时为50%至90%,9度 时可达或超过1;335m高的电视塔上部,8度时为138%;高层 建筑上部,8度时为50%至110%。
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地震作用可以分为水平方向与竖 是一种较为简略的计算方法,其公式 中不在详细阐述。 直方向两个方向的作用,在以往的观 如下 : 1.4 静力法与反应谱法的计算对比 念中,竖向地震作用对建筑结构所造 通 过 sap2000 数 值 分 析 软 件 建 立 FEvk = α v max Geq 成的破坏远不如水平地震作用所带来 一个 4 层框架模型,抗震设防烈度为 8 的大。但是自 1995 年日本的阪神大地 Gi H i 度,场地等级为Ⅱ类场地,特振周期 Fvi = FEvk 震后竖向地震作用这一概念渐渐被人 Tg =0.4s,水平地震影响最大影响系数 Gi H i 们所重视起来。 0.16,竖向地震最大影响系数为水平 FEvk = α v max G 我国现行的抗震规范中也只对在 地震最大影响系数的 65%,结构采用 eq 其中 为竖向地震影响系数最 高烈度地区的高层建筑及一些特殊的 大值,规范中取水平地震影响系数最 C30 混凝土,梁柱主筋采用 HRB335 钢 大跨度、长悬臂结构才会在设计中考 大值的 0.65 倍。 筋, 箍 筋 使 用 HPB235 级 钢 筋, 本 例 虑加上竖向地震作用对其的影响,而 1.2 竖向地震时程分析法 只涉及到底部剪力法和反应谱法所两 在一般的建筑设计中则不会考虑到竖 所谓时程分析是指在知道结构基 种方法所计算出的竖向轴力结果对比 向地震作用所带来的影响。根据水平 本运动方程后,输入地面的震动加速 如下图所示 : 与 竖 向 地 震 作 用 加 速 度 的 比 值 (V/H 度记录然对其进行积分求解,以求得 比 ),我们可以据此了解某次地震中竖 整个时间历程的地震反应的计算方法。 向地震作用相对于水平地震作用所带 对于高层建筑,将其视为一连串的多 来的危害大小。根据多次的地震记录, 质点运动体系在考虑竖向地震作用时 在一般情况下,地震作用的加速度 V/ 其方程如下所示 : H 比值大约在 0.5~0.65 左右,而在现 } + [ K ]{ y} = − [ M ]{I }{ZV } y} + [C ]{ y [ M ]{ 有的国内外许多资料中,不难发现许 多的地震记录中 V/H 比达到 1}甚至有 } + [ K ]{ y} = − [ M ]{I }{ZV } y + [ C ]{ y [ M ]{ 竖向地震加速度超过水平地震作用加 速度的记录。例如,1979 年的美国帝 [M ], [K ] ------- 结构质量、 [C ], 国山谷地震 [1] 中 V/H 比值平均分布在 阻尼、刚度矩阵 ; 0.77 左右,但其中的最大值达到了 2.4, {I } ------- 单位向量 1994 年 美 国 Northridge 地 震, 记 录 到 }, {y} ------- 竖向加速 }, {y y { V/H 比值约为 1.79,1995 年的阪神大 度,速度和位移 地震和我国的唐山大地震的某次余震 {ZV } ------- 地面竖向加速度向 的记录中也发现,V/H 比值约在 1.0 左 量 右。 1.3 反应谱计算法 综上所述,竖向地震作用的危险 相较于水平地震作用的反应谱法, 性不容忽视,在对地震灾害的防御措 竖向地震的反应谱的计算方法与其大 施中,必须要考虑到竖向地震作用对 致 相 似, 仅 仅 有 一 些 参 数 稍 有 改 变。 其的影响,尤其是在高烈度地区和地 先求出单一振型的最大地震作用 Fij 之 震频发区中更是不容忽视。由于 V/H 后便可以由此推知结构由于地震作用 比值的不确定性,所以对其直接取值 图1:底部轴力法所得轴力 所产生的弯矩、剪力、轴力及位移等, 0.65 是不准确的,对竖向地震作用的 Fij 的计算公式如下 : 计算方法的研究也有待完善。 从图中可以发现振型分解反应谱 Fij = α j γ j X ji Gi ( i = 1,2, m; j = 1, 2, ,n ) 1 竖向地震作用计算方法介绍 法所得出的计算结果相较于底部轴力 1.1 底部轴力法(静力法) 法要平均高出 10% 左右,由以上结论 当求出所有振型的 Fij 之后便可利 我国现行规范中对于竖向地震作 用 SRSS (平方和开方法) 或者 CQC (完 可知静力法在计算框架结构的竖向地 用的计算便采用的是底部轴力法也叫 全平方根组合法)将其进行整合,从 震作用时精确度尚可,可随着楼层的 静力法,根据水平地震作用中的底部 而得到最后所需的最后结果。 增加,这两种方法起初在框架结构的 剪力法而将其乘以一个折算系数后将 除以上计算方法外还有冲量原理 最顶层时所得的结果相差很小,之后 其应用到竖向地震中的一种方法。这 法、数值分析法和拟静力法等。本文 轴力就随着楼层的降低两者之间的差
摘 要: 大量的地震灾害的研究报告表明竖向地震作用对建筑结构的能造成较大的影响,相对于水平地震我国对竖向地震 作用的研究还有待加强。本文简单地介绍了三种应用较为常见的竖向地震作用计算方法,并将其中的反应谱法与静力法做 了简单的比较 ; 阐述了对结构竖向与水平向加速度峰比值 (V/H) 产生影响的一些因素。 关键字 : 竖向地震 ; 静力法 ; 反应谱法 ; 竖向加速度反应谱 中图分类号 : TU31 文献标识码 : A
∑
2013 NO.01 中国新技术新产品 China New Technologies and Products
高新技术
距逐渐增大,在最中计算竖向作用,这两者之 间的差距还将会继续被放大。
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2013 NO.01 China New Technologies and Products
中国新技术新产品
框架结构竖向地震作用加速度反应谱及计算简析
李 静1 贾 鹏2 程 浩3 (1.西南石油大学土木工程与建筑学院,四川 成都 610500;2.西南石油大学电气信息工程学院 ,四川 成都 610500 ; 3.重庆交通大学土木建筑学院,重庆 400074)