框架結(jié)構(gòu)地震響應時程分析的計算模型.doc

本文主要描述了框架結(jié)構(gòu)地震響應的時程分析法的計算模型的選定，對初學者有較好的指導作用。

框架結(jié)構(gòu)地震響應時程分析的計算模型 摘要：在結(jié)構(gòu)進行地震響應時程分析時，必須首先確定結(jié)構(gòu)的計算模型，以便確立結(jié)構(gòu)的層間剛度。
在地震作用下，結(jié)構(gòu)計算模型是結(jié)構(gòu)進行地震響應時分析的主體，由幾何模型和物理模型兩部分組成。
其中幾何模型反映了結(jié)構(gòu)計算模型的幾何構(gòu)成，物理模型反映了材料或構(gòu)件的力學性能。
目前在工程上常用的計算模型主要有層間模型、桿系模型和桿系-層間模型。
本文針對這三種模型進行全面的分析，并對它們的優(yōu)缺點展開論述。
1 前言 　　在求解結(jié)構(gòu)在地震作用下的運動方程時，必須要計算結(jié)構(gòu)的剛度矩陣[k]，而要計算結(jié)構(gòu)的剛度矩陣[k]，就得確定結(jié)構(gòu)的計算模型。
因此，確定結(jié)構(gòu)的計算模型是結(jié)構(gòu)進行動力分析時必不可少的內(nèi)容。
對于多層框架結(jié)構(gòu)，目前應用最廣泛的模型是層間模型、桿系模型和桿系-層間模型。
2 層間模型 　　層間模型是在假定建筑各層樓板在其自身平面內(nèi)剛度無窮大，水平地震作用下同層各豎向位移相同，以及建筑結(jié)構(gòu)剛度中心和質(zhì)量中心相重合，水平地震作用下沒有繞豎軸扭轉(zhuǎn)發(fā)生的基礎(chǔ)上建立起來的。
在這種模型中，將結(jié)構(gòu)視為一根豎向桿，結(jié)構(gòu)的質(zhì)量集中于各樓層處，如圖1（a）所示。
　　　　　　　　 　　　　　　　　　 (a) (b) (c) (d) 　　　　　　　　　 圖1 層間模型 （a）層間模型一般形式；（b）層間剪切模型；（c）層間彎曲模型；(d) 層間彎剪模型 　　計算時，層間模型取各層為基本計算單元，采用層恢復力模型來表示地震作用過程中層剛度隨層剪力的變化關(guān)系，而不考慮彈塑性階段層剛度沿層高的變化。
其幾何模型相當于串聯(lián)質(zhì)點模型，物理模型的重要參數(shù)是層間剛度及其非線性變化規(guī)律。
根據(jù)結(jié)構(gòu)形式、構(gòu)造特點以及結(jié)構(gòu)側(cè)向變形情況不同，層間模型又分為層間剪切模型、層間彎曲模型及層間彎剪模型，如圖1（b）-（d）所示。
其中，層間彎曲模型主要用于結(jié)構(gòu)側(cè)向變形以彎曲為主的剪力墻結(jié)構(gòu)中。
　　而在進行框架結(jié)構(gòu)動力分析時，常用的層間模型是層間剪切模型和層間彎剪模型。
當框架橫梁與柱的線剛度之比較大時，即"強梁弱住"型框架結(jié)構(gòu)，在振動過程中各樓層始終保持水平，結(jié)構(gòu)的變形表現(xiàn)為層間的錯動，其側(cè)向變形主要是層間剪切變形，那么應該采用層間剪切模型。
　　當框架梁對柱的約束相對較弱時，如一些高層框架，即"強柱弱梁"型結(jié)構(gòu)，其側(cè)向變形包含有層間彎曲和剪切兩種成分，層間剪切模型已不能完全反映其變形特點，那么應該采用層間彎剪模型。
　　層間模型的優(yōu)點在于自由度數(shù)較少，動力方程逐步積分所耗時也較少，但方法比較粗糙，計算精度較差，無法求出結(jié)構(gòu)各桿件的時程反應，也不能確定結(jié)構(gòu)各桿單元的內(nèi)力和變形。
因此，在工程實踐中，層間模型主要是用于確定結(jié)構(gòu)的層間剪力和層間側(cè)移，以校核結(jié)構(gòu)在地震作用下層間剪力是否超過層間極限承載力和檢驗結(jié)構(gòu)在地震作用下的薄弱層位置。
3 桿系模型 　　桿系模型是較為精確的計算模型，它是在假定樓板在其自身平面內(nèi)為絕對剛性的基礎(chǔ)上建立起來