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1、Copyright 2000-2007MIDAS Information Technology Co.,Ltd.MIDAS/MIDAS/Gen Gen 抗震分析与设计介绍抗震分析与设计介绍Copyright 2000-2003 MIDAS Information Technology Co.,Ltd.北京迈达斯技术有限公司上海分公司北京迈达斯技术有限公司上海分公司 马秋玲马秋玲 Copyright 2000-2007MIDAS Information Technology Co.,Ltd.目录目录n 基底剪力法分析基底剪力法分析基底剪力法分析基底剪力法分析n 反应谱分析反应谱分析反应谱分析反应
2、谱分析n 时程分析时程分析时程分析时程分析n 静力弹塑性分析静力弹塑性分析静力弹塑性分析静力弹塑性分析n 动力弹塑性分析动力弹塑性分析动力弹塑性分析动力弹塑性分析n 实际工程抗震分析实际工程抗震分析实际工程抗震分析实际工程抗震分析Copyright 2000-2007MIDAS Information Technology Co.,Ltd.抗震分析思想抗震分析思想n 抗震设防目标抗震设防目标：建筑物在使用期间建筑物在使用期间,对于不同频度和强度的地震对于不同频度和强度的地震,建筑物具有不同的抵抗能力建筑物具有不同的抵抗能力,即即:小震不坏小震不坏,中震可修中震可修,大震不倒；目大震不倒；目前的
3、抗震设计是以小震为设计基础的，中震和大震是通过地震力的前的抗震设计是以小震为设计基础的，中震和大震是通过地震力的调整系数和各种抗震构造措施来保证的。调整系数和各种抗震构造措施来保证的。n 求解结构地震反应方法求解结构地震反应方法:拟静力方法拟静力方法将地震对结构物的作用，用等效的荷载表示，然将地震对结构物的作用，用等效的荷载表示，然 后用静力分析方法对结构进行内力及位移计算。后用静力分析方法对结构进行内力及位移计算。直接动力分析方法直接动力分析方法对动力方程进行直接积分，求出结构反应与对动力方程进行直接积分，求出结构反应与时间变化的关系，得到时程曲线。时间变化的关系，得到时程曲线。n进行多遇地
4、震、设计烈度地震作用下结构地震反应分析。多遇地进行多遇地震、设计烈度地震作用下结构地震反应分析。多遇地震作用下的地震反应分析可采用反应谱方法，而设计烈度地震作用震作用下的地震反应分析可采用反应谱方法，而设计烈度地震作用下的地震反应分析可采用时程分析方法；下的地震反应分析可采用时程分析方法；n 基于性能的耐震设计分析方法：线性静力分析方法、线性动力基于性能的耐震设计分析方法：线性静力分析方法、线性动力分析方法、非线性静力分析方法、非线性动力分析方法。分析方法、非线性静力分析方法、非线性动力分析方法。Copyright 2000-2007MIDAS Information Technology C
5、o.,Ltd.动力动力平衡方程平衡方程惯性力惯性力阻尼力阻尼力 弹性力弹性力 Copyright 2000-2007MIDAS Information Technology Co.,Ltd.动力平衡方程的解法动力平衡方程的解法1 1、经典解法、经典解法 二阶线性微分方程二阶线性微分方程2 2、杜哈梅积分、杜哈梅积分 将外荷载视为由时间间隔非常短的冲击荷载组成的将外荷载视为由时间间隔非常短的冲击荷载组成的结构反应为对各冲击荷载反应之和结构反应为对各冲击荷载反应之和Response to impulse 1Response to impulse 2Response to impulse Total
6、 ResponseCopyright 2000-2007MIDAS Information Technology Co.,Ltd.3 3、数值方法、数值方法 动力平衡方程的解法动力平衡方程的解法可适用于线性和非线性领域可适用于线性和非线性领域中心差分法中心差分法、常加速度法、线性加速度法、常加速度法、线性加速度法 Newmark-法法、Wilson-法法 不同参数对应的逐步积分法不同参数对应的逐步积分法 Copyright 2000-2007MIDAS Information Technology Co.,Ltd.振型分析的原理振型分析的原理n个自由度体系的个自由度体系的n个自振频率和模态向量
7、个自振频率和模态向量:各特征向量之间满足正交条件各特征向量之间满足正交条件 利用模态向量的正交性，可生成对角质量矩阵和刚度矩阵利用模态向量的正交性，可生成对角质量矩阵和刚度矩阵 将结构体系的动力方程分解为独立的将结构体系的动力方程分解为独立的n个单自由度体系个单自由度体系Copyright 2000-2007MIDAS Information Technology Co.,Ltd.振型分析振型分析Copyright 2000-2007MIDAS Information Technology Co.,Ltd.结构的阻尼结构的阻尼n 振型阻尼振型阻尼 直接输入各振型阻尼的方法直接输入各振型阻尼的方
8、法 n RayleighRayleigh 阻尼阻尼阻尼阻尼 质量和刚度因子法质量和刚度因子法 n 应变能因子法应变能因子法 非典型的阻尼，无法分离各模态。为了反映各单元不同非典型的阻尼，无法分离各模态。为了反映各单元不同的阻尼特性，使用变形能量的概念来计算各模态的阻尼比。的阻尼特性，使用变形能量的概念来计算各模态的阻尼比。Copyright 2000-2007MIDAS Information Technology Co.,Ltd.基底剪力法基底剪力法n 使用范围：高度不超过使用范围：高度不超过40m40m，以剪切变形为主，质量和刚度沿刚度分布比较，以剪切变形为主，质量和刚度沿刚度分布比较均匀
9、的结构，以及近似于单质点的体系的结构，可以采用底部剪力法。均匀的结构，以及近似于单质点的体系的结构，可以采用底部剪力法。n 分析流程：分析流程：建立结构模型建立结构模型 (整体坐标系与重力方向相反）整体坐标系与重力方向相反）将模型中自重及荷载转换为质量（将模型中自重及荷载转换为质量（用于计算重力荷载代表值）用于计算重力荷载代表值）地面标高的确定（不考虑标高以下的质量数据）地面标高的确定（不考虑标高以下的质量数据）指定具有刚性楼板的层，输入偶然偏心量指定具有刚性楼板的层，输入偶然偏心量 选择规范，输入必要参数（选择规范，输入必要参数（GB50011-2001)GB50011-2001)(DGJ
10、08-9-2003)(DGJ 08-9-2003)自动生成各层的地震自动生成各层的地震(与自动生成的层数据结合）与自动生成的层数据结合）Copyright 2000-2007MIDAS Information Technology Co.,Ltd.反应谱反应谱反应谱是单自由度弹性体系在给定的地震作反应谱是单自由度弹性体系在给定的地震作用下，某个最大反应量（位移、速度、加速用下，某个最大反应量（位移、速度、加速度）与体系自振周期的关系曲线。度）与体系自振周期的关系曲线。位移谱位移谱拟速度谱拟速度谱拟加速度谱拟加速度谱Copyright 2000-2007MIDAS Information Tec
11、hnology Co.,Ltd.反应谱反应谱 由同一场地上所得到的地面运动加速度记录分别计算出它们的反应谱曲线，由同一场地上所得到的地面运动加速度记录分别计算出它们的反应谱曲线，进行统计分析，求出的谱曲线为抗震设计反应谱。进行统计分析，求出的谱曲线为抗震设计反应谱。建筑抗震设计规范（建筑抗震设计规范（GB GB 50011-200150011-2001）中给出水平地震影响系数）中给出水平地震影响系数 谱谱 抗震规范给出的设计反应谱，不仅考虑了建筑场地的类别，也考虑了震级、抗震规范给出的设计反应谱，不仅考虑了建筑场地的类别，也考虑了震级、震中距及阻尼比的影响。震中距及阻尼比的影响。振型分解反应谱
12、分析方法基本假定：振型分解反应谱分析方法基本假定：（1 1）结构物的地震反应是弹性的，可以采用叠加原理进行振型组合；）结构物的地震反应是弹性的，可以采用叠加原理进行振型组合；（2 2）结构物各支承处的地震动完全相同，基础与地基间无相互作用；）结构物各支承处的地震动完全相同，基础与地基间无相互作用；（3 3）结构物最不利反应为其最大的地震反应，而与其他动力反应参数（如）结构物最不利反应为其最大的地震反应，而与其他动力反应参数（如 达到最大值附近的次数或频率）无关；达到最大值附近的次数或频率）无关；（4 4）地震动过程是平稳随机过程。）地震动过程是平稳随机过程。Copyright 2000-200
13、7MIDAS Information Technology Co.,Ltd.振型分解反应谱法分析流程振型分解反应谱法分析流程 n 进行特征值分析，计算结构的固有周期，分析的固有周期数量要够，进行特征值分析，计算结构的固有周期，分析的固有周期数量要够，才能保证叠加后的分析结果有足够的精度才能保证叠加后的分析结果有足够的精度n 计算各振型的阻尼计算各振型的阻尼n 由计算得到的振型的周期、阻尼在规范设计反应谱中查找对应的地由计算得到的振型的周期、阻尼在规范设计反应谱中查找对应的地震影响系数震影响系数(各振型的地震影响系数各振型的地震影响系数)n 利用振型地震影响系数、节点等效质量计算各振型在各质点的
14、引起利用振型地震影响系数、节点等效质量计算各振型在各质点的引起的惯性力的惯性力n 利用公式利用公式K*u=F(惯性力惯性力)，计算各质点在各振型惯性力作用下的，计算各质点在各振型惯性力作用下的位移，以及其它响应位移，以及其它响应(内力、应力等内力、应力等)n 选择振型组合方法选择振型组合方法(SRSS、CQC、ABS)，获得最后的结果，获得最后的结果Copyright 2000-2007MIDAS Information Technology Co.,Ltd.振型分解反应谱法振型分解反应谱法Copyright 2000-2007MIDAS Information Technology Co.,
15、Ltd.振型组合方法振型组合方法n 完整二次项组合法（完整二次项组合法（CQC法）法）CQC法用于振型密集型结构，如考虑平移法用于振型密集型结构，如考虑平移扭转耦连振动的线性结构系统。扭转耦连振动的线性结构系统。n 平方和开方法（平方和开方法（SRSS法）法）在在CQC法中，自振频率相隔越远，值越小，当近似为零时法中，自振频率相隔越远，值越小，当近似为零时SRSS法用于主要振型的周期均不相近的场合，如串联多自由度体系。法用于主要振型的周期均不相近的场合，如串联多自由度体系。n ABS法法将各振型所产生的作用效应的绝对值求和，由于结构的各振型最大地震反应并将各振型所产生的作用效应的绝对值求和，由
16、于结构的各振型最大地震反应并不发生在同一时刻，因此该计算结果过于保守。不发生在同一时刻，因此该计算结果过于保守。Copyright 2000-2007MIDAS Information Technology Co.,Ltd.地震波生成器地震波生成器n 频谱特性频谱特性由特征周期反映，依据所处的场地类型和特征周期分区确定。由特征周期反映，依据所处的场地类型和特征周期分区确定。n 有效峰值有效峰值建筑抗震设计规范建筑抗震设计规范时程分析所用地震加速度时程曲线的最大值时程分析所用地震加速度时程曲线的最大值(cm/s2)n 持续时间持续时间 一类指地震地面加速度值大于某值的时间总和。一类指地震地面加速
17、度值大于某值的时间总和。一类以相对值定义相对持时，即最先与最后一个之间的时段长度。一类以相对值定义相对持时，即最先与最后一个之间的时段长度。地震影响地震影响6度度7度度8度度9度度多遇地震多遇地震1835(55)70(110)140罕遇地震罕遇地震-220(310)400(510)620Copyright 2000-2007MIDAS Information Technology Co.,Ltd.时程分析时程分析又称直接动力法，根据选定的地震波和结构恢复力特性曲又称直接动力法，根据选定的地震波和结构恢复力特性曲线，对动力方程进行直接积分线，对动力方程进行直接积分 ，采用逐步积分的方法计，采用逐
18、步积分的方法计算地震过程中每一瞬时结构的位移、速度和加速度反应，算地震过程中每一瞬时结构的位移、速度和加速度反应，从而可观察到结构在强震作用下在弹性和非弹性阶段的内从而可观察到结构在强震作用下在弹性和非弹性阶段的内力变化以及构件开裂、损坏直至结构倒塌的全过程。仅在力变化以及构件开裂、损坏直至结构倒塌的全过程。仅在一些重要的、特殊的、复杂的高层建筑抗震设计中应用。一些重要的、特殊的、复杂的高层建筑抗震设计中应用。我国抗规建议，对特别不规则的建筑，甲类建筑，我国抗规建议，对特别不规则的建筑，甲类建筑，7 7、8 8度度区，一、二类场地上高度大于区，一、二类场地上高度大于80m80m的建筑，的建筑，
19、8 8度区三、四度区三、四类场地和类场地和9 9度区高度大于度区高度大于60m60m的建筑采用弹性时程分析法的建筑采用弹性时程分析法对其在多遇地震下的抗震承载力与变形进行补充计算。同对其在多遇地震下的抗震承载力与变形进行补充计算。同时建议用时程分析法对甲类建筑和某些高大的以及特别不时建议用时程分析法对甲类建筑和某些高大的以及特别不规则的建筑计算在罕遇地震下结构薄弱层的弹塑性变形。规则的建筑计算在罕遇地震下结构薄弱层的弹塑性变形。Copyright 2000-2007MIDAS Information Technology Co.,Ltd.时程分析流程时程分析流程n 建立模型质量数据建立模型质量
20、数据n 特征值分析控制特征值分析控制n 定义时程荷载函数定义时程荷载函数n 定义荷载工况和特征值分析数据定义荷载工况和特征值分析数据n 定义节点动力荷载、地面加速度荷载、时变静力荷载定义节点动力荷载、地面加速度荷载、时变静力荷载n 运行分析运行分析n 查看时程分析结果查看时程分析结果Copyright 2000-2007MIDAS Information Technology Co.,Ltd.时程分析时程分析 地震波的选择地震波的选择Copyright 2000-2007MIDAS Information Technology Co.,Ltd.时程分析时程分析荷载工况定义荷载工况定义 Copy
21、right 2000-2007MIDAS Information Technology Co.,Ltd.时程分析时程分析 Copyright 2000-2007MIDAS Information Technology Co.,Ltd.中震设计的实现中震设计的实现抗规抗规中对中震设计的内容涉及很少，仅在总则中提到中对中震设计的内容涉及很少，仅在总则中提到“小震不坏、小震不坏、中震可修、大震不倒中震可修、大震不倒”的抗震设防目标，但没有给出中震设计的判断的抗震设防目标，但没有给出中震设计的判断标准和设计要求，我国目前的抗震设计是以小震为设计基础的，中震标准和设计要求，我国目前的抗震设计是以小震为设
22、计基础的，中震和大震则是通过地震力的调整系数和各种抗震构造措施来保证的，但和大震则是通过地震力的调整系数和各种抗震构造措施来保证的，但随着复杂结构、超高超限结构越来越多，对中震的设计要求也越来越随着复杂结构、超高超限结构越来越多，对中震的设计要求也越来越多，目前工程界对于结构的中震设计有两种方法，第一种按照中震弹多，目前工程界对于结构的中震设计有两种方法，第一种按照中震弹性设计，第二种是按照中震不屈计。性设计，第二种是按照中震不屈计。这两种设计方法在这两种设计方法在MIDAS/GenMIDAS/Gen中都可以实现，具体说明如下：中都可以实现，具体说明如下：Copyright 2000-2007
23、MIDAS Information Technology Co.,Ltd.静力弹塑性分析（静力弹塑性分析（PushoverPushover分析）分析）PushoverPushover分析是考虑构件的材料非线性特点，分析构件进分析是考虑构件的材料非线性特点，分析构件进入弹塑性状态直至到达极限状态时结构响应的方法。入弹塑性状态直至到达极限状态时结构响应的方法。PushoverPushover分析是最近在地震研究及耐震设计中经常采用的分析是最近在地震研究及耐震设计中经常采用的基于性能的耐震设计基于性能的耐震设计(Performance-Based Seismic(Performance-Based
24、Seismic Design,PBSD)Design,PBSD)方法中最具代表性的分析方法。方法中最具代表性的分析方法。所谓基于性能的耐震设计就是由用户及设计人员设定结构所谓基于性能的耐震设计就是由用户及设计人员设定结构的目标性能的目标性能(target performance)(target performance)，并使结构设计能满足，并使结构设计能满足该目标性能的方法。该目标性能的方法。PushoverPushover分析前要经过一般设计方法先进行耐震设计使结分析前要经过一般设计方法先进行耐震设计使结构满足小震不坏、中震可修的规范要求，然后再通过构满足小震不坏、中震可修的规范要求，然后再
25、通过pushoverpushover分析评价结构在大震作用下是否满足预先设定的分析评价结构在大震作用下是否满足预先设定的目标性能。目标性能。Copyright 2000-2007MIDAS Information Technology Co.,Ltd.静力弹塑性分析（静力弹塑性分析（PushoverPushover分析）分析）PushoverPushover分析是通过逐渐加大预先设定分析是通过逐渐加大预先设定的荷载直到最大性能控制点位置，获得的荷载直到最大性能控制点位置，获得荷载位移能力曲线荷载位移能力曲线(capacity curve)(capacity curve)。多自由度的荷载位移关系
26、多自由度的荷载位移关系转换为使用转换为使用单自由度体系的加速度位移方式表现单自由度体系的加速度位移方式表现的能力谱的能力谱(capacity spectrum)(capacity spectrum)，地震，地震作用的响应谱转换为用作用的响应谱转换为用ADRS(Acceleration-Displacement ADRS(Acceleration-Displacement Response Spectrum)Response Spectrum)方式表现的需求谱方式表现的需求谱(demand spectrum)(demand spectrum)。通过比较两个谱曲线，评价结构在弹塑通过比较两个谱曲线
27、，评价结构在弹塑性状态下的最大需求内力和变形能力，性状态下的最大需求内力和变形能力，通过与目标性能的比较，决定结构的性通过与目标性能的比较，决定结构的性能水平能水平(performance level)(performance level)。在在MIDAS/GenMIDAS/Gen中使用中使用ATC-40(1996)ATC-40(1996)和和FEMA-273(1997)FEMA-273(1997)中提供的能力谱法中提供的能力谱法(Capacity Spectrum Method,CSM)(Capacity Spectrum Method,CSM)评评价结构的耐震性能。价结构的耐震性能。Cop
28、yright 2000-2007MIDAS Information Technology Co.,Ltd.静力弹塑性分析（静力弹塑性分析（PushoverPushover分析）分析）Copyright 2000-2007MIDAS Information Technology Co.,Ltd.静力弹塑性分析（静力弹塑性分析（PushoverPushover分析）分析）静力分析及完成设计静力分析及完成设计静力分析及完成设计静力分析及完成设计 输入输入输入输入pushoverpushoverpushoverpushover分析控制数据分析控制数据分析控制数据分析控制数据 定义定义定义定义pusho
29、verpushoverpushoverpushover荷载工况荷载工况荷载工况荷载工况 定义铰数据定义铰数据定义铰数据定义铰数据 分配铰给构件分配铰给构件分配铰给构件分配铰给构件 运行运行运行运行pushoverpushoverpushoverpushover分析分析分析分析 查看分析结果查看分析结果查看分析结果查看分析结果Copyright 2000-2007MIDAS Information Technology Co.,Ltd.动力弹塑性分析动力弹塑性分析Copyright 2000-2007MIDAS Information Technology Co.,Ltd.动力弹塑性分析动力弹塑性分析谢谢 谢谢 光光 临临 ！