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各种周期解惑!

  

        结构设计中碰到最多的周期大致有四个:场地(地震动)卓越周期、设计特征周期、结构自振周期、结构基本周期,四个周期或多或少存在一定的联系,首先了解一下各周期的含义。

        卓越周期是指随机振动过程中出现概率最多的周期,常用以描述地震动或场地特性。地震波在土层中传播,由于土层的过滤特性与选择放大作用(过滤与放大通过不同性质界面的多次反射来实现),周期与场地土固有周期接近的地震波得到增强(通过共振作用放大),此周期称为场地(地震动)卓越周期。

        设计特征周期也可称为设计反应谱特征周期,是指地震影响系数曲线下降段起始点对应的周期值,与地震震级、震中距和场地类别等因素有关,规范通过设计地震分组和场地类别反映,场地越软,震级、震中距越大,值越大。

        结构自振周期是结构的动力特性之一,按某一振型完成一次自由振动所需的时间,仅与结构的质量m、刚度k有关,可通过特征值分析求解。

        结构基本周期是结构按基本振型完成一次自由振动所需的时间。

        地震动卓越周期反映的是场地土动力特性,与场地覆土厚度、土层剪切波速及岩土阻抗比(土地震效应的三要素)有关,前两者影响频谱,后者影响幅值。一般来讲震级、震中距越大,高频分量被长距离传播路径所过滤,低频(长周期)分量越显著;软土地基上卓越周期显著,而硬土地基上则包含多种频率成分,卓越周期不显著(可以包含若干个),如下图。


        设计特征周期针对的是设计反应谱,因此数落一下设计反应谱的来历很有必要。为了迎合结构设计,将不同的地震动记录的反应谱曲线加以统计平均(均值反应谱),再利用数学上的平滑拟合,基于安全或经济因素的修正,便得到设计反应谱。设计反应谱并不针对某个特定地震波,而是据大量地震动的综合认识预估结构地震作用的一种规定。即设计反应谱不是真正的反应谱,是经验物理领域的概念,设计特征周期的物理意义不很明确。从反应谱的分段区间来看,设计特征周期可以认为是速度与位移控制段的分界周期。

        地震动卓越周期与设计特征周期存在必然联系吗?答案是否定的,顶多也就是特定地区的统计关系。地震动卓越周期是地震动特性的客观反映,研究的是地震动出现频度较大的周期,而设计特征周期是根据地震震级、震中距和场地类别并考虑安全经济因素人为规定的,研究的是在多频率地震动作用下结构反应中满足某一特征的周期。即二者研究的是两个东西。当结构的自振周期与地震动卓越周期接近时,结构可能发生共振,破坏较严重。一般结构的自振周期大于设计特征周期,即随着周期的增大地震作用会减小,这牵扯到房子做刚还是柔。

            卓越周期对结构抗震影响是显而易见的,规范中主要体现在:根据覆盖层厚度、岩石剪切波速或土等效剪切波速划分场地类别,根据震级与震中距划分地震分组,地震影响系数的取值考虑地震系数与动力系数,地震系数与震级有关(实际上与地震烈度有关,地震烈度与震级存在联系),动力系数与场地类别有关。

来源:http://blog.sina.com.cn/s/blog_8879d3990101bvcw.html

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