3.能量設(shè)計(jì)概念 (第一講)

3.能量設(shè)計(jì)概念(第一講)3. 能量設(shè)計(jì)概念

（近代抗震技術(shù)2005-2006第一學(xué)期）3.1能量消耗分析3.1.1能量消耗隨地震強(qiáng)度的變化3.1.2能量消耗隨建筑物不同層的變化3.2能量設(shè)計(jì)的基本思想3.1能量消耗分析結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)方程為:積分得:（1）（2）令Ek代表動(dòng)能，Ec代表阻尼耗能，Eh代表滯回耗能，EI代表地震輸入能量。（2）可寫作：（3）3.1能量消耗分析（續(xù)1）4.1能量消耗分析：（續(xù)2）4.1.1能量消耗隨地震強(qiáng)度的變化以5層鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)為例，強(qiáng)震時(shí)耗能如圖所示。圖3-1 五層結(jié)構(gòu)的能量反應(yīng)時(shí)程(輸入地震波為ElCentro波，最大加速度0.341g)由圖中可看出Ek和Ec的耗能較少，Eh占總能量的大部分，這里Eh的耗能是以結(jié)構(gòu)的破壞為代價(jià)的。隨著強(qiáng)震動(dòng)增強(qiáng)，建筑物出現(xiàn)裂縫與變形，非線性變形消耗的能量Eh越來越大。3.1能量消耗分析（續(xù)2）3.1.2能量消耗隨建筑物不同層的變化下面兩圖給出底層剛度變化時(shí)，El-Centro波能量輸入的耗能情況：圖3-2均勻剛度圖3-3底部剛度減為原剛度1/2圖中E1,E2,E3,E4,E5分別表示5層樓每層所消耗的能量，由圖3-3可見，底部剛度降低為原剛度的1/2時(shí)，底層消耗的能量有較大幅度的增加。下面兩圖給出底層剛度變化時(shí)，Taft波能量輸入的耗能情況：圖3-4均勻剛度圖3-5底部剛度減為原剛度1/2圖中E1,E2,E3,E4,E5分別表示5層樓每層所消耗的能量，由圖3-5可見，底部剛度降低為原剛度的1/2時(shí)，底層消耗的能量有較大幅度的增加。3.1能量消耗分析（續(xù)3）3.1.3結(jié)論（1）結(jié)構(gòu)底層消耗的能量占很大比重，當(dāng)?shù)讓拥膭偠葴p小時(shí)，地震輸入能量會大幅度降低。各層剛度均勻時(shí)地震能量輸入（t·cm）底部剛度減半時(shí)地震能量輸入（t·cm）Elcentro波700470Taft波1500780表3-1 不同地震下的能量輸入對結(jié)構(gòu)進(jìn)行基礎(chǔ)隔震（相當(dāng)于底層柔性），會起到很好的減振效果。

（2）當(dāng)某一樓層剛度柔軟時(shí)，則地震能量集中在該層消耗。例如，當(dāng)?shù)谌龑觿偠葴p半時(shí)，得到在不同最大加速度時(shí)，結(jié)構(gòu)各層能量分布圖：圖3-6 不同最大加速度時(shí)結(jié)構(gòu)各層能量分布因此，在進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)避免剛度突變的情況。

3.2能量設(shè)計(jì)的基本思想

（1）結(jié)構(gòu)各層相對耗能接近相等；耗能系數(shù)：

ai

=Ehi/Eui，其中Ehi表示第i層的實(shí)際耗能，Eui表示第i層的極限耗能。（2）各層耗能小于容許的極限耗能；算例：5層鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)：（設(shè)Amax=0.3g,配筋率2%，箍筋率2%）層號12345耗能比例λi

0.2140.2110.2060.1890.170屈服位移Xyi(cm)1.391.440.1891.561.82截面尺寸h(cm)38360.1703126屈服力Fyi(KN)25.921.71.4713.27.3極限力Fui(KN)28.624.21.5615.38.6剪力系數(shù)Fyi/Fui1.00.841.820.510.28表3-2 不同層的結(jié)構(gòu)響應(yīng)對于剪力分布系數(shù)值，各個(gè)學(xué)者的研究結(jié)果不是很一致，下面列出一些學(xué)者給出的值：層號12345TJ11-781.00.9330.80.60.33Japan1.00.890.790.690.4加藤（