中国地质大学学报，Vol.14,No.2,p.166-168,June 2003 ISSN1002-0705
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胡蓉蓉
土木工程学院 华中科学技术大学 武汉 430074
摘要：关于能量法的结构抗震设计概念的现状总结被表达成三个部分：地震输入、结构需求和结构提供的能力。一种新基于瞬时输入能量的地震反应和损伤标准分析的方法被提出了。 关键词：能量法 最大位移 瞬时输入能量
引言
目前迫切需要提高抗震设计，开发更好的方法来确定合理的改造策略和技巧。抗震设计的两种最常用的方法是以谱加速度为基础的设计方法和非线性动力分析方法。但在前一种方法
中有很大的局限性，而后者则是非常复杂的，要求捕获反应的所有相关方面。Housner（1956数据监测）在20世纪50年代提出了一种基于能量的设计方法并在简单的结构设计中使用能量平衡关系。能量概念能很好地反映地震震动的强度，频繁程度特别是运动持续时间。能量法已经获得了广泛的关注。
能量方程
给定一个阻尼单自由度（单自由度）系统受到水平地震地面震动，运动方程可以写为：
（1）
其中m是质量；是阻尼力；F（x）是恢复力；是地面加速度：X，和分别是结构的相对位移，速度和加速度。由相对速度乘（1）式中每项并将方程相对于“t”的时程整合。
。 （2）
（3）
其中，和摇臂式喷头分别是由可恢复的弹性应变能和不可恢复的滞回耗能组成的动能，阻尼能量和被吸收的能量。是输入能量。在能量法里，假设方程（3）在每个地震震动过程中都是成立的，换句话说，总输入能量与总消耗能量保持平衡。对于结构抗震设计能量法，各能量项之间的关系和各能量项的评价估需要研究。在一个结构能量反应中，动能和弹性应变能是只能转换的能量，不能消耗的能量。在弹性反应中，对于结构消耗地震能量，它主要依赖于阻尼耗能，而在弹塑性反应中它主要依靠滞回耗能。能量方程也可以解释的地震隔离和消能系统的设计原则。在传统的结构中，抗震设计主要依赖于结构构件提供所需要消耗的能量的变形能力，这可能会导致结构的破坏。采用地震隔离和耗能的技术，在强烈的震动中传送至主要结构的能量能有效地通过隔离层的变形或耗能的改性阻尼器减少。那么结构对地震的反应和损害可被减少。
极限状态抗震设计能量法
在极限状态抗震设计的能量法中，检查设计地震中消耗的总能量的主要设计准则是以结构吸收这种能量的能力为限制的。该方法包括三个基本要素：地震输入，结构需求和结构提供的能力(Bertero and Uang,1992)。乐器架
地震输入的选择或设计
在抗震工程的现代原则，轻度，中度和重度地震地面震动需要不同的设计标准。因此，遇到的一个主要问题是就其严重程度或潜在的损害来识别地震地面震动。有几个参数地震地面震动的潜在损害有关，如最大加速度，最大加速度相关的速度，持续时间和地面震运动的卓越周期。研究表明，地震输入总能量与上述所有项有关，所以总能量输入是代表地面震动的损伤潜能的重要指标。euht终端Bertero and Uang(1992) 指出，只有单一的能量指数不能准确评估地震造成的结构破坏。他们建议选择可能会发生在某个站点的地面震动中最大的总能量输入的关键地面震动，然后用时程分析结构损伤进行评估。
结构的能量需求
右手侧的方程（3）显示结构中的能量需求需要用能量的方法来进行评价。一个结构的能量输入是相对稳定的指数，不是很依赖结构特性如阻尼，屈服剪切强度，除自然周期的滞回曲线形状(Filiatrault et al.,1994;Uang and Bertero,1990)。在许多现有的程序中，输入能量谱是直接由弹性输入能量谱确定的。传给系统中的地面震动的卓越周期附近的自然周期的最大输入能量需要主要关注。在能量输入频谱的评估中，Housner和Akiyama是最具代表
性的。Housner(1956) 假定在一个线性弹性系统的最大输入能量可以从线状弹性伪速度得到，并且可被用作用于在弹性系统的能量需求。但如果结构自振周期运动的卓越周期没有联系，使用该方法可能显著低估输入能量(Uang and Bertero,1990)。Akiyama(1985) 提出了一种双线性形状能量输入频谱并表明，输入到一个多自由度（多自由度）系统的能量可以使用等效的单自由度系统来获得。能量输入主要依靠结构在短时期范围内的特性，并且对采用双线性形状能量输入频谱的评估价可能过于粗略。此外，在长周期范围内，能量输入随周期的增加而减小，所以使用卓越周期的最大输入能量作为长周期结构的能量输入是保守的(Fajfar et al.,1992)。
结构提供的能量耗散能力
结构通过非弹性变形和在强震的阻尼消耗地震能量。在非线性反应中，滞回耗能占能量消耗的主要地位(Fajfar et al.,1992)，所以结构总的滞回耗能及其分布成为评价结构耗能能力的关键。虽然在单调递增变形下的耗能能力可根据周期性的非弹性变形被视为耗能能力的下限，但从研究来看它已经表明了一个结构构件的能量耗散能力，因此，对于一个结构，取决于载荷和变形的两方面。总滞回能量的分布不仅与一个结构的属性例如质量，刚度和
迟滞特性有关，同时也与输入地震动强度，持续时间等有关。因此，能量与变形之间的关系还需进一步研究，使能量法更合理可行。
瞬时输入能量
能量概念能较好地反映持续地震造成的结构累积损伤。累积滞回耗能不是结构损坏和唯一的原因，大地震的能量冲击也可能导致一个结构的首通失效。在1995年日本的阪神大地震中，许多结构的失效是地震运动在很短的时间所造成的，不能由累积失效进行解释。所以，瞬时输入能量一直被重视(Yutaka, 2000)。瞬时输入能量有几种定义。举一个例子(Norio et al.,2000)
（4）
其中通过内投入的能量的增量定义，懒人床是方程（4）中所示的=0的时间间隔；是一个半周期期间。研究发现，瞬时输入能量对应于结构的最大反应位移(Hu and Wang,2000;Norio et al.,2000)。瞬时输入能量是来探讨能量与变形之间的关系的一种新的方法。一方面，瞬时输入能量对首次穿越失效和总输入能量的破坏潜力决定累积失效来量化地震运动的潜在危害。地震运动可以从两个方面进行研究，以反映两种类型的潜在危害。另一方面，最大瞬时输入能量是很大的能量冲击，这可能会导致更大的结构反应位移的增量，因此，结构的最大瞬时能量被认为是估计的结构的变形能力需求的有效指标。近来对瞬时输入能量的研究仅仅是在初始阶段。该研究结果仅适用一些震动下的单自由度体系并缺少
统计学意义。对能量概念需要对多自由度的抗震设计和结构控制进一步研究。
参考资料
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BerteroV V,Uang C M,1992. 使用能源的方法对结构抗震性能设计的问题和未来发展方向。
附：Fajfar P,Krawinkler H主编，钢筋混凝土建筑非线性地震分析研讨 加利福尼亚州：爱思唯尔应用科学
Fajfar P,Vidic T,FischingerM,1992. 对单自由度系统的能源需求和供应。附：Fajfar P,Krawinkler H主编，钢筋混凝土建筑非线性地震分析研讨 加利福尼亚州：爱思唯尔应用科学
Filiatrault A,LegerP,Tinawin R, 1994. 结构的地震能量计算。地震工程与结构动力学，16:425-436。
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Hu R R,Wang YY,2000. 论高新科技在e强震动瞬时能量与结构最大位移反应的关系。中国建筑结构学报，21(1):71-75。
Norio H,Tomoya I,Norio I,2000. 地面运动和结构基于瞬时能量响应的反应行为的损害性能。PROC第12届世界机密地震工程展，墨西哥。
新型橱柜门板
Uang C M,BerteroVV,1990. 结构地震能量的评估。地震工程与结构动力学，19(1): 77-90。
Yutaka H,2000. 地震结构的瞬时能量吸收和有效载荷循环。PROC第12届世界机密地震工程展，墨西哥。
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