《工程抗震》教材配套PPT課件

《工程抗震》教材配套PPT課件,工程抗震,工程,抗震,教材,配套,PPT,課件 第第 8 8 講講振型分解反應(yīng)譜法振型分解反應(yīng)譜法振型分解振型分解(以雙自由度體系為例以雙自由度體系為例)：m m1 1m m2 2u u1 1u u2 2結(jié)構(gòu)固有頻率：結(jié)構(gòu)固有頻率：、結(jié)構(gòu)固有振型：結(jié)構(gòu)固有振型：結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)：結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)：10/10/20222第8講 振型分解反應(yīng)譜法m m1 1m m2 2u u1 1u u2 2X X1111X X1212=q1(t)X X2121X X2222+q2(t)結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)基本振型基本振型二階振型二階振型廣義坐標(biāo)廣義坐標(biāo)廣義坐標(biāo)廣義坐標(biāo)一階振型反應(yīng)一階振型反應(yīng)二階振型反應(yīng)二階振型反應(yīng)10/10/20223第8講 振型分解反應(yīng)譜法多自由度體系地震反應(yīng)：多自由度體系地震反應(yīng)：結(jié)構(gòu)運動方程：結(jié)構(gòu)運動方程：結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)：結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)：I：指示向量，對剪切型結(jié)構(gòu)指示向量，對剪切型結(jié)構(gòu)10/10/20224第8講 振型分解反應(yīng)譜法其中：其中：10/10/20225第8講 振型分解反應(yīng)譜法10/10/20226第8講 振型分解反應(yīng)譜法地震反應(yīng)分析的振型分解反應(yīng)譜法 采用前述的振型分解法可求得體系各質(zhì)點的位移和絕對加速度時程曲線，但對于工程實踐而言，振型分解法還是嫌稍復(fù)雜了一些，且運用不便。注意到工程抗震設(shè)計時僅關(guān)心各質(zhì)點反應(yīng)的最大值，給合單自由度體系的反應(yīng)譜理論，在振型分解法的基礎(chǔ)上，可導(dǎo)出更實用的振型分解反應(yīng)譜法。10/10/20227第8講 振型分解反應(yīng)譜法3.5.1 水平地震作用多自由度彈性體系的水平地震作用可用各質(zhì)點所受慣性力來代表，故質(zhì)點上的水平地震作用為：3-6210/10/20228第8講 振型分解反應(yīng)譜法因此，建筑抗震設(shè)計規(guī)范按下式計算結(jié)構(gòu)的水平地震作用標(biāo)準(zhǔn)值：根據(jù)式（3-64）并結(jié)合抗震設(shè)計規(guī)范給出的設(shè)計反應(yīng)譜曲線，可方便地求得對應(yīng)于某一振型各質(zhì)點的最大水平地震作用，再按照一般的結(jié)構(gòu)力學(xué)原理，把地震作用視為靜力荷載，可求得對應(yīng)于各振型的地震作用效應(yīng)（彎矩、剪力、軸力、位移等）3-6410/10/20229第8講 振型分解反應(yīng)譜法對于單自由度體系對于單自由度體系-體系體系j j振型振型i i質(zhì)點水平地震作用標(biāo)準(zhǔn)值計算公式質(zhì)點水平地震作用標(biāo)準(zhǔn)值計算公式10/10/202210第8講 振型分解反應(yīng)譜法3.5.2 3.5.2 振型組合振型組合根據(jù)式（根據(jù)式（3-623-62），結(jié)構(gòu)在任一時刻所受的地震作用等于結(jié)構(gòu)對應(yīng)于各振型的地震作用），結(jié)構(gòu)在任一時刻所受的地震作用等于結(jié)構(gòu)對應(yīng)于各振型的地震作用之和。應(yīng)該注意到，當(dāng)某一振型的地震作用達(dá)到最大值時，其余各振型的地震作用不之和。應(yīng)該注意到，當(dāng)某一振型的地震作用達(dá)到最大值時，其余各振型的地震作用不一定也達(dá)到最大值時，因而結(jié)構(gòu)地震作用的最大值并不等于各振型地震作用之和。因一定也達(dá)到最大值時，因而結(jié)構(gòu)地震作用的最大值并不等于各振型地震作用之和。因此，如果要利用對應(yīng)于各振型的最大地震作用效應(yīng)來求結(jié)構(gòu)總的地震作用效應(yīng)，將存此，如果要利用對應(yīng)于各振型的最大地震作用效應(yīng)來求結(jié)構(gòu)總的地震作用效應(yīng)，將存在各振型最大反應(yīng)如何組合的問題。在各振型最大反應(yīng)如何組合的問題。如假定地震地面運如假定地震地面運動為動為平平穩(wěn)穩(wěn)隨機隨機過過程，程，則則根據(jù)隨機振根據(jù)隨機振動動理理論論可知，工程可知，工程結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)總總的地震的地震作用效作用效應(yīng)應(yīng)s s與各振型的地震作用效與各振型的地震作用效應(yīng)應(yīng) s sj j的關(guān)系可用式（的關(guān)系可用式（3-653-65）近似描述）近似描述-振振型組合公式，稱為完全二次項組合法，簡稱型組合公式，稱為完全二次項組合法，簡稱CQCCQC法：法：（3-653-65）式中式中 ,s-,s-水平地震作用效應(yīng)；水平地震作用效應(yīng)；m-m-參與振型組合的振型數(shù)，一般可取參與振型組合的振型數(shù)，一般可取2 23 3個振型個振型,當(dāng)基本自振周期當(dāng)基本自振周期 T T1 11.5s 1.5s 或房屋高寬比大于或房屋高寬比大于5 5時，振型個數(shù)可適當(dāng)增加；時，振型個數(shù)可適當(dāng)增加；-振型互相關(guān)系數(shù)振型互相關(guān)系數(shù) 10/10/202211第8講 振型分解反應(yīng)譜法如當(dāng)滿足下述關(guān)系式：則可以認(rèn)為 近似為零，此時振型組合公式（3-65a）變?yōu)椋?-65b）稱式（3-65b）的組合公式為“平方和開平方”法，簡稱SRSS法。因此，建筑抗震設(shè)計規(guī)范規(guī)定，結(jié)構(gòu)的水平地震作用效應(yīng)（彎矩、剪力、軸向力和變形）按下式計算：（3-72）式中,SEk-水平地震作用標(biāo)準(zhǔn)值的效應(yīng)；Sj-j振型水平地震作用標(biāo)準(zhǔn)值的效應(yīng)，一般可取23個振型,當(dāng)基本自振周期 T11.5s 或房屋高寬比大于5時，振型個數(shù)可適當(dāng)增加；10/10/202212第8講 振型分解反應(yīng)譜法-相應(yīng)于相應(yīng)于j j振型自振周期的地震影響系數(shù)；振型自振周期的地震影響系數(shù)；-j-j振型振型i i質(zhì)點的水平相對位移；質(zhì)點的水平相對位移；-j-j振型的振型參與系數(shù)；振型的振型參與系數(shù)；-i-i質(zhì)點的重力荷載代表值。質(zhì)點的重力荷載代表值。m1m2mi1振型地震作用標(biāo)準(zhǔn)值2振型j振型n振型 地震作用效應(yīng)地震作用效應(yīng)（彎矩、位移等）（彎矩、位移等）-j-j振型地震作用振型地震作用產(chǎn)生的地震效應(yīng)；產(chǎn)生的地震效應(yīng)；m-選取振型數(shù)選取振型數(shù)-體系體系j j振型振型i i質(zhì)點水平地震作用標(biāo)準(zhǔn)值計算公式質(zhì)點水平地震作用標(biāo)準(zhǔn)值計算公式 一般只取一般只取2-3個振型，個振型，當(dāng)基本自振周期大于當(dāng)基本自振周期大于1.5s或或房屋高寬比大于房屋高寬比大于5時，振型時，振型個數(shù)可適當(dāng)增加。個數(shù)可適當(dāng)增加。10/10/202213第8講 振型分解反應(yīng)譜法例：試用振型分解反應(yīng)譜法計算圖示框架多遇地震時的層間剪力。例：試用振型分解反應(yīng)譜法計算圖示框架多遇地震時的層間剪力?？拐鹪O(shè)防烈度為抗震設(shè)防烈度為8 8度，度，類場地，設(shè)計地震分組為第二組。類場地，設(shè)計地震分組為第二組。解：解：（1 1）求體系的自振周期和振型）求體系的自振周期和振型（2 2）計算各振型的地震影響系數(shù)）計算各振型的地震影響系數(shù)1.400.90(1.20)0.50(0.72)-罕遇地震罕遇地震0.320.16(0.24)0.08(0.12)0.04多遇地震多遇地震 9 8 7 6地震影響地震影響烈度烈度地震影響系數(shù)最大值（阻尼比為地震影響系數(shù)最大值（阻尼比為0.050.05）查表得查表得地震特征周期分組的特征周期值（地震特征周期分組的特征周期值（s s）0.90 0.65 0.450.35第三組第三組0.75 0.55 0.400.30第二組第二組0.65 0.45 0.35 0.25第一組第一組 場地類別場地類別10/10/202214第8講 振型分解反應(yīng)譜法例：試用振型分解反應(yīng)譜法計算圖示框架多遇地震時的層間剪力。例：試用振型分解反應(yīng)譜法計算圖示框架多遇地震時的層間剪力?？拐鹪O(shè)防烈度為抗震設(shè)防烈度為8 8度，度，類場地，設(shè)計地震分組為第二組。類場地，設(shè)計地震分組為第二組。解：解：（1 1）求體系的自振周期和振型）求體系的自振周期和振型（2 2）計算各振型的地震影響系數(shù)）計算各振型的地震影響系數(shù)查表得查表得第一振型第一振型第二振型第二振型第三振型第三振型10/10/202215第8講 振型分解反應(yīng)譜法例：試用振型分解反應(yīng)譜法計算圖示框架多遇地震時的層間剪力。例：試用振型分解反應(yīng)譜法計算圖示框架多遇地震時的層間剪力?？拐鹪O(shè)防烈度為抗震設(shè)防烈度為8 8度，度，類場地，設(shè)計地震分組為第二組。類場地，設(shè)計地震分組為第二組。解：解：（1 1）求體系的自振周期和振型）求體系的自振周期和振型（2 2）計算各振型的地震影響系數(shù)）計算各振型的地震影響系數(shù)（3 3）計算各振型的振型參與系數(shù)）計算各振型的振型參與系數(shù)第一振型第一振型第二振型第二振型第三振型第三振型10/10/202216第8講 振型分解反應(yīng)譜法例：試用振型分解反應(yīng)譜法計算圖示框架多遇地震時的層間剪力。例：試用振型分解反應(yīng)譜法計算圖示框架多遇地震時的層間剪力。抗震設(shè)防烈度為抗震設(shè)防烈度為8 8度，度，類場地，設(shè)計地震分組為第二組。類場地，設(shè)計地震分組為第二組。解：解：（1 1）求體系的自振周期和振型）求體系的自振周期和振型（2 2）計算各振型的地震影響系數(shù)）計算各振型的地震影響系數(shù)（3 3）計算各振型的振型參與系數(shù)）計算各振型的振型參與系數(shù)（4 4）計算各振型各樓層的水平地）計算各振型各樓層的水平地震作用震作用第一振型第一振型第一振型第一振型10/10/202217第8講 振型分解反應(yīng)譜法例：試用振型分解反應(yīng)譜法計算圖示框架多遇地震時的層間剪力。例：試用振型分解反應(yīng)譜法計算圖示框架多遇地震時的層間剪力?？拐鹪O(shè)防烈度為抗震設(shè)防烈度為8 8度，度，類場地，設(shè)計地震分組為第二組。類場地，設(shè)計地震分組為第二組。解：解：（1 1）求體系的自振周期和振型）求體系的自振周期和振型（2 2）計算各振型的地震影響系數(shù)）計算各振型的地震影響系數(shù)（3 3）計算各振型的振型參與系數(shù)）計算各振型的振型參與系數(shù)（4 4）計算各振型各樓層的水平地）計算各振型各樓層的水平地震作用震作用第一振型第一振型第二振型第二振型第二振型第二振型10/10/202218第8講 振型分解反應(yīng)譜法例：試用振型分解反應(yīng)譜法計算圖示框架多遇地震時的層間剪力。例：試用振型分解反應(yīng)譜法計算圖示框架多遇地震時的層間剪力?？拐鹪O(shè)防烈度為抗震設(shè)防烈度為8 8度，度，類場地，設(shè)計地震分組為第二組。類場地，設(shè)計地震分組為第二組。解：解：（1 1）求體系的自振周期和振型）求體系的自振周期和振型（2 2）計算各振型的地震影響系數(shù)）計算各振型的地震影響系數(shù)（3 3）計算各振型的振型參與系數(shù)）計算各振型的振型參與系數(shù)（4 4）計算各振型各樓層的水平地）計算各振型各樓層的水平地震作用震作用第一振型第一振型第二振型第二振型第三振型第三振型第三振型第三振型10/10/202219第8講 振型分解反應(yīng)譜法例：試用振型分解反應(yīng)譜法計算圖示框架多遇地震時的層間剪力。例：試用振型分解反應(yīng)譜法計算圖示框架多遇地震時的層間剪力。抗震設(shè)防烈度為抗震設(shè)防烈度為8 8度，度，類場地，設(shè)計地震分組為第二組。類場地，設(shè)計地震分組為第二組。解：解：（1 1）求體系的自振周期和振型）求體系的自振周期和振型（2 2）計算各振型的地震影響系數(shù)）計算各振型的地震影響系數(shù)（3 3）計算各振型的振型參與系數(shù)）計算各振型的振型參與系數(shù)（4 4）計算各振型各樓層的水平地）計算各振型各樓層的水平地震作用震作用第一振型第一振型第二振型第二振型第三振型第三振型（5 5）計算各振型的地震作用效應(yīng)（層間剪力）計算各振型的地震作用效應(yīng)（層間剪力）第一振型第一振型1 1振型振型10/10/202220第8講 振型分解反應(yīng)譜法例：試用振型分解反應(yīng)譜法計算圖示框架多遇地震時的層間剪力。例：試用振型分解反應(yīng)譜法計算圖示框架多遇地震時的層間剪力。抗震設(shè)防烈度為抗震設(shè)防烈度為8 8度，度，類場地，設(shè)計地震分組為第二組。類場地，設(shè)計地震分組為第二組。解：解：（1 1）求體系的自振周期和振型）求體系的自振周期和振型（2 2）計算各振型的地震影響系數(shù)）計算各振型的地震影響系數(shù)（3 3）計算各振型的振型參與系數(shù)）計算各振型的振型參與系數(shù)（4 4）計算各振型各樓層的水平地）計算各振型各樓層的水平地震作用震作用第一振型第一振型第二振型第二振型第三振型第三振型（5 5）計算各振型的地震作用效應(yīng)（層間剪力）計算各振型的地震作用效應(yīng)（層間剪力）1 1振型振型第二振型第二振型2 2振型振型10/10/202221第8講 振型分解反應(yīng)譜法例：試用振型分解反應(yīng)譜法計算圖示框架多遇地震時的層間剪力。例：試用振型分解反應(yīng)譜法計算圖示框架多遇地震時的層間剪力。抗震設(shè)防烈度為抗震設(shè)防烈度為8 8度，度，類場地，設(shè)計地震分組為第二組。類場地，設(shè)計地震分組為第二組。解：解：（1 1）求體系的自振周期和振型）求體系的自振周期和振型（2 2）計算各振型的地震影響系數(shù)）計算各振型的地震影響系數(shù)（3 3）計算各振型的振型參與系數(shù)）計算各振型的振型參與系數(shù)（4 4）計算各振型各樓層的水平地）計算各振型各樓層的水平地震作用震作用第一振型第一振型第二振型第二振型第三振型第三振型（5 5）計算各振型的地震作用效應(yīng)（層間剪力）計算各振型的地震作用效應(yīng)（層間剪力）1 1振型振型2 2振型振型第三振型第三振型3 3振型振型10/10/202222第8講 振型分解反應(yīng)譜法例：試用振型分解反應(yīng)譜法計算圖示框架多遇地震時的層間剪力。例：試用振型分解反應(yīng)譜法計算圖示框架多遇地震時的層間剪力?？拐鹪O(shè)防烈度為抗震設(shè)防烈度為8 8度，度，類場地，設(shè)計地震分組為第二組。類場地，設(shè)計地震分組為第二組。解：解：（1 1）求體系的自振周期和振型）求體系的自振周期和振型（2 2）計算各振型的地震影響系數(shù)）計算各振型的地震影響系數(shù)（3 3）計算各振型的振型參與系數(shù)）計算各振型的振型參與系數(shù)（4 4）計算各振型各樓層地震作用）計算各振型各樓層地震作用第一振型第一振型第二振型第二振型第三振型第三振型（5 5）計算各振型的地震作用效應(yīng)）計算各振型的地震作用效應(yīng)1 1振型振型2 2振型振型3 3振型振型（6 6）計算地震作用效應(yīng)（層間剪力）計算地震作用效應(yīng)（層間剪力）組合后各層地震剪力組合后各層地震剪力10/10/202223第8講 振型分解反應(yīng)譜法第第8講結(jié)束！講結(jié)束！學(xué)習(xí)是一件快樂的事情，且學(xué)習(xí)是一件快樂的事情，且聽下回分解！聽下回分解！考慮兩個自由度的體系。將質(zhì)點和在水平向地震作用下任一時刻的位移和用其兩個振型的線性組合表示，即：(3-55a)（3-55b）10/10/202225第8講 振型分解反應(yīng)譜法其中，第一振型向量，第二振型向量。上式實際上是一個坐標(biāo)變換式，原來的變量和為幾何坐標(biāo)，而新的坐標(biāo)和可稱為廣義坐標(biāo)。由于體系的振型是唯一確定的，因此，當(dāng)和確定后，質(zhì)點的位移和也將隨之確定。10/10/202226第8講 振型分解反應(yīng)譜法 式（3-55）也可以這樣理解：體系的位移可看作是由各振型向量乘以相應(yīng)的組合系數(shù)和后疊加而成的。換句話講，這種方法是將實際位移按振型加以分解，故稱為振型分解法。另外，由于和是隨時間變化的，因此，同一振型在不同時刻對總位移“貢獻(xiàn)”的大小是不一樣的。一般的多自由度線彈性體系，式（一般的多自由度線彈性體系，式（3-553-55）可寫成如下形式）可寫成如下形式 3-56-位移向量-廣義坐標(biāo)向量-振型矩陣 為體系的第j個振型向量。10/10/202227第8講 振型分解反應(yīng)譜法 利用振型關(guān)于質(zhì)量矩陣的正交性及式（3-56），可以導(dǎo)出廣義坐標(biāo)與一般位移反應(yīng)的關(guān)系。將式（3-56）兩端分別前乘（3-57）在水平地震運動作用下，多自由度彈性體系的運動方程為：（3-40）將式（3-56）代入式（3-40），并前乘振型向量的轉(zhuǎn)置 利用振型向量對質(zhì)量矩陣、阻尼矩陣和剛度矩陣的正交性，可得：10/10/202228第8講 振型分解反應(yīng)譜法注意到 上式可化為上式可化為 （3-583-58）為第為第j j振型的振型參與系數(shù)。振型的振型參與系數(shù)。其中其中 （3-593-59）稱稱 利用有阻尼體系的杜哈美積分公式（利用有阻尼體系的杜哈美積分公式（3-173-17），廣義坐標(biāo)），廣義坐標(biāo) 可表示為假定初始條件為可表示為假定初始條件為 （3-60a3-60a）可簡記為可簡記為 （3-60b3-60b）（3-60c3-60c）10/10/202229第8講 振型分解反應(yīng)譜法式中 為阻尼比和自振頻率分別為 和 的單自由度彈性體系的位移反應(yīng)。10/10/202230第8講 振型分解反應(yīng)譜法