五、计算水平地震作用的振型分解反应谱法
Ni?,2,1?
作用于 i质点上的力有
m1
m2
mi
mN
xi
xg(t)
im )( gii xxm
)(tSi
)(tRi
)giii xxmI (惯性力弹性恢复力
niniii xkxkxkS 2211
阻尼力
niniii xcxcxcR 2211
运动方程
gii
n
j
ij
n
j
iijii xmxkxcxm
11
)( txImxkxcxm g

N
i
ii tDXtx
1
)()(
)())(()())((
111
txImtDXktDXctDXm gN
i
ii
N
i
ii
N
i
ii


)())((
))(())((
1
11
txImXtDXkX
tDXcXtDXmX
g
T
j
N
i
ii
T
j
N
i
ii
T
j
N
i
ii
T
j







)(
)()()(
txImX
tDXkXtDXcXtDXmX
g
T
j
jj
T
jjj
T
jjj
T
j




代入运动方程,得方程两端左乘TjX
)( txImxkxcxm g
)()()( *** txImXtDKDCtDM gT jjjjjjj
*2* jjj MK ** 2 jjjj MC

)()(2)(
2 tx
XMX
IMXtDDtD
g
j
T
j
T
j
jjjjjj


)(
)()()(
txImX
tDXkXtDXcXtDXmX
g
T
j
jj
T
jjj
T
jjj
T
j




jTjj XmXM?* ---j振型广义质量
---j振型广义阻尼系数
jTjj XkXK?*
jTjj XcXC?*
---j振型广义刚度
)()()(
**
*
*
*
txM IMXtDMKDMCtD g
j
T
j
j
j
j
j
j
j
j


)()(2)(
2 tx
XMX
IMXtDDtD
g
j
T
j
T
j
jjjjjj




n
i
jii
n
i
jii
j
T
j
T
j
j
xm
xm
XMX
IMX
1
2
1?
---j振型的振型参与系数
)()(2)( 2 txtDDtD gjjjjjjj

N
i
ii tDXtx
1
)()(
N
j
jjii tDxtx
1
)()(
)()(2)( 2 txtDDtD gjjjjjjj )(tx
)(txg
m
)(2 2 txxxx g
t t textx 0 d)(g
d
d)(s in)(1)(
t tjj textD jj0 j)(g
j
d)(s in)()(
)(tjj
t tj text jj0 j)(g
j
d)(s in)(1)(
)(tj?
)(txg
*jM
j?
j?
对于单自由度体系对于 j振型折算体系(右图)
Nj?,2,1?
i质点相对于基础的位移与加速度为
N
j
jjji tx
1
)(?
N
j
jjjii txtx
1
)()(
i质点 t时刻的水平地震作用为
)]()([)( txtxmtF giii
)]()([
1
txxtxm gjijN
j
jjjii
)()(
)(
1
1
txxtx
txx
gjij
n
j
g
gjij
n
j



N
j
ji tF
1
)(
N
j
jjii tDxtx
1
)()(
)]()([)( txxtxmtF gjjijjjiiji
---t时刻第 j振型 i质点的水平地震作用
m a xm a x )()()( txtxmtFF gjjjiijiji
---体系 j振型 i质点水平地震作用标准值
jjjijji GxF
---体系 j振型 i质点水平地震作用标准值计算公式
)]()([)( txxtxmtF gjjijjjiiji
---t时刻第 j振型 i质点的水平地震作用
GtxtxmtFF g m a xm a x )()()(
对于单自由度体系
---相应于 j振型自振周期的地震影响系数;j?
jix --- j振型 i质点的水平相对位移;
j? --- j振型的振型参与系数;
iG --- i质点的重力荷载代表值。
m1
m2
mi
11F
12F
iF1
nF1
21F
22F
iF2
nF2
1jF
2jF
jiF
jnF
1nF
2nF
niF
nnF
1振型地震作用标准值
2振型 j振型 n振型地震作用效应
(弯矩、位移等)
m
j
jEK SS
1
2
jS
--j振型地震作用产生的地震效应;
m --选取振型数
jjjijji GxF
---体系 j振型 i质点水平地震作用标准值计算公式一般只取 2-3个振型,
当基本自振周期大于 1.5s
或房屋高宽比大于 5时,
振型个数可适当增加。
例:试用振型分解反应谱法计算图示框架多遇地震时的层间剪力。
抗震设防烈度为 8度,Ⅱ 类场地,设计地震分组为第二组。
tm 2701?
tm 2702?
tm 1803?
M N/m2451?K
M N/m1952?K
M N/m983?K
解,( 1)求体系的自振周期和振型



0 0 0.1
6 6 7.0
3 3 4.0
1X


0 0 0.1
6 6 6.0
6 6 7.0
2X



0 0 0.1
0 3 5.3
0 1 9.4
3X
s467.01?T s208.02?T s134.03?T
( 2)计算各振型的地震影响系数
1.400.90(1.20)0.50(0.72)-----罕遇地震
0.320.16(0.24)0.08(0.12)0.04多遇地震
9876地震影响烈度地震影响系数最大值(阻尼比为 0.05)
查表得 16.0max
地震特征周期分组的特征周期值( s)
0.900.650.450.35第三组
0.750.550.400.30第二组
0.650.450.350.25第一组
ⅣⅢⅡⅠ场地类别
s4.0?gT
)(sT
0 1.0 gT gT5 0.6
max2
max45.0?
m ax2)(T
Tg?
m a x12 )]5(2.0[ gTT
例:试用振型分解反应谱法计算图示框架多遇地震时的层间剪力。
抗震设防烈度为 8度,Ⅱ 类场地,设计地震分组为第二组。
tm 2701?
tm 2702?
tm 1803?
M N/m2451?K
M N/m1952?K
M N/m983?K
解,( 1)求体系的自振周期和振型



0 0 0.1
6 6 7.0
3 3 4.0
1X


0 0 0.1
6 6 6.0
6 6 7.0
2X



0 0 0.1
0 3 5.3
0 1 9.4
3X
s467.01?T s208.02?T s134.03?T
( 2)计算各振型的地震影响系数查表得 16.0max
s4.0?gT
第一振型 gg TTT 51
m a x21 )(T
T g? 139.0?
第二振型 gTT 2s1.0
16.0m a x22
第三振型 gTT 3s1.0
16.0m a x23

55.0
05.09.0


7.106.0
05.01
2?

例:试用振型分解反应谱法计算图示框架多遇地震时的层间剪力。
抗震设防烈度为 8度,Ⅱ 类场地,设计地震分组为第二组。
tm 2701?
tm 2702?
tm 1803?
M N/m2451?K
M N/m1952?K
M N/m983?K
解,( 1)求体系的自振周期和振型



0 0 0.1
6 6 7.0
3 3 4.0
1X


0 0 0.1
6 6 6.0
6 6 7.0
2X



0 0 0.1
0 3 5.3
0 1 9.4
3X
s467.01?T s208.02?T s134.03?T
( 2)计算各振型的地震影响系数
139.01 16.02 16.03
( 3)计算各振型的振型参与系数第一振型

3
1
2
1
3
1
11 /
i
ii
i
ii xmxm? 363.11180667.0270334.0270
1180667.0270334.0270
222

第二振型

3
1
2
2
3
1
22 /
i
ii
i
ii xmxm? 428.01180)666.0(270)667.0(270 1180)666.0(270)667.0(270 222
第三振型

3
1
2
3
3
1
33 /
i
ii
i
ii xmxm? 063.01180)035.3(270019.4270
1180)035.3(270019.4270
222

例:试用振型分解反应谱法计算图示框架多遇地震时的层间剪力。
抗震设防烈度为 8度,Ⅱ 类场地,设计地震分组为第二组。
tm 2701?
tm 2702?
tm 1803?
M N/m2451?K
M N/m1952?K
M N/m983?K
解,( 1)求体系的自振周期和振型



0 0 0.1
6 6 7.0
3 3 4.0
1X


0 0 0.1
6 6 6.0
6 6 7.0
2X



0 0 0.1
0 3 5.3
0 1 9.4
3X
s467.01?T s208.02?T s134.03?T
( 2)计算各振型的地震影响系数
139.01 16.02 16.03
( 3)计算各振型的振型参与系数
363.11 428.02 063.03
( 4)计算各振型各楼层的水平地震作用
ijjijji GxF
kN4.1678.9270334.0363.1139.011F
第一振型
kN4.3348.9270667.0363.1139.012F
kN2.3348.9180000.1363.1139.013F
kN4.167
kN4.334
kN2.334
第一振型例:试用振型分解反应谱法计算图示框架多遇地震时的层间剪力。
抗震设防烈度为 8度,Ⅱ 类场地,设计地震分组为第二组。
tm 2701?
tm 2702?
tm 1803?
M N/m2451?K
M N/m1952?K
M N/m983?K
解,( 1)求体系的自振周期和振型



0 0 0.1
6 6 7.0
3 3 4.0
1X


0 0 0.1
6 6 6.0
6 6 7.0
2X



0 0 0.1
0 3 5.3
0 1 9.4
3X
s467.01?T s208.02?T s134.03?T
( 2)计算各振型的地震影响系数
139.01 16.02 16.03
( 3)计算各振型的振型参与系数
363.11 428.02 063.03
( 4)计算各振型各楼层的水平地震作用
ijjijji GxF
kN4.167
kN4.334
kN2.334
第一振型
kN9.1208.9270)667.0()428.0(16.021F
第二振型
kN7.1208.9270)666.0()428.0(16.022F
kN8.1208.9180000.1)428.0(16.023F
kN8.120?
kN7.120
kN9.120
第二振型例:试用振型分解反应谱法计算图示框架多遇地震时的层间剪力。
抗震设防烈度为 8度,Ⅱ 类场地,设计地震分组为第二组。
tm 2701?
tm 2702?
tm 1803?
M N/m2451?K
M N/m1952?K
M N/m983?K
解,( 1)求体系的自振周期和振型



0 0 0.1
6 6 7.0
3 3 4.0
1X


0 0 0.1
6 6 6.0
6 6 7.0
2X



0 0 0.1
0 3 5.3
0 1 9.4
3X
s467.01?T s208.02?T s134.03?T
( 2)计算各振型的地震影响系数
139.01 16.02 16.03
( 3)计算各振型的振型参与系数
363.11 428.02 063.03
( 4)计算各振型各楼层的水平地震作用
ijjijji GxF
kN4.167
kN4.334
kN2.334
第一振型
kN8.120?
kN7.120
kN9.120
第二振型
kN2.1078.9270019.4063.016.031F
第三振型
kN9.808.9270)035.3(063.016.032F
kN8.178.9180000.1063.016.033F
kN8.17
kN9.80?
kN2.107
第三振型例:试用振型分解反应谱法计算图示框架多遇地震时的层间剪力。
抗震设防烈度为 8度,Ⅱ 类场地,设计地震分组为第二组。
tm 2701?
tm 2702?
tm 1803?
M N/m2451?K
M N/m1952?K
M N/m983?K
解,( 1)求体系的自振周期和振型



0 0 0.1
6 6 7.0
3 3 4.0
1X


0 0 0.1
6 6 6.0
6 6 7.0
2X



0 0 0.1
0 3 5.3
0 1 9.4
3X
s467.01?T s208.02?T s134.03?T
( 2)计算各振型的地震影响系数
139.01 16.02 16.03
( 3)计算各振型的振型参与系数
363.11 428.02 063.03
( 4)计算各振型各楼层的水平地震作用
kN4.167
kN4.334
kN2.334
第一振型
kN8.120?
kN7.120
kN9.120
第二振型
kN8.17
kN9.80?
kN2.107
第三振型
( 5)计算各振型的地震作用效应(层间剪力)
第一振型 kN8362.3344.3344.167
11V
kN6.6682.3344.33412V
kN2.3 3 413?V
2.334
6.668
836
1振型例:试用振型分解反应谱法计算图示框架多遇地震时的层间剪力。
抗震设防烈度为 8度,Ⅱ 类场地,设计地震分组为第二组。
tm 2701?
tm 2702?
tm 1803?
M N/m2451?K
M N/m1952?K
M N/m983?K
解,( 1)求体系的自振周期和振型



0 0 0.1
6 6 7.0
3 3 4.0
1X


0 0 0.1
6 6 6.0
6 6 7.0
2X



0 0 0.1
0 3 5.3
0 1 9.4
3X
s467.01?T s208.02?T s134.03?T
( 2)计算各振型的地震影响系数
139.01 16.02 16.03
( 3)计算各振型的振型参与系数
363.11 428.02 063.03
( 4)计算各振型各楼层的水平地震作用
kN4.167
kN4.334
kN2.334
第一振型
kN8.120?
kN7.120
kN9.120
第二振型
kN8.17
kN9.80?
kN2.107
第三振型
( 5)计算各振型的地震作用效应(层间剪力)
2.334
6.668
836
1振型第二振型 kN8.1208.1207.1209.120
21V
kN1.08.1 2 07.1 2 022V
8.12023V
8.120?
1.0?
8.120
2振型例:试用振型分解反应谱法计算图示框架多遇地震时的层间剪力。
抗震设防烈度为 8度,Ⅱ 类场地,设计地震分组为第二组。
tm 2701?
tm 2702?
tm 1803?
M N/m2451?K
M N/m1952?K
M N/m983?K
解,( 1)求体系的自振周期和振型



0 0 0.1
6 6 7.0
3 3 4.0
1X


0 0 0.1
6 6 6.0
6 6 7.0
2X



0 0 0.1
0 3 5.3
0 1 9.4
3X
s467.01?T s208.02?T s134.03?T
( 2)计算各振型的地震影响系数
139.01 16.02 16.03
( 3)计算各振型的振型参与系数
363.11 428.02 063.03
( 4)计算各振型各楼层的水平地震作用
kN4.167
kN4.334
kN2.334
第一振型
kN8.120?
kN7.120
kN9.120
第二振型
kN8.17
kN9.80?
kN2.107
第三振型
( 5)计算各振型的地震作用效应(层间剪力)
2.334
6.668
836
1振型
8.120?
1.0?
8.120
2振型第三振型 kN1.448.179.802.1 0 7
31V
kN1.638.179.8032V
kN8.1733?V
8.17
1.63?
1.44
3振型例:试用振型分解反应谱法计算图示框架多遇地震时的层间剪力。
抗震设防烈度为 8度,Ⅱ 类场地,设计地震分组为第二组。
tm 2701?
tm 2702?
tm 1803?
M N/m2451?K
M N/m1952?K
M N/m983?K
解,( 1)求体系的自振周期和振型



0 0 0.1
6 6 7.0
3 3 4.0
1X


0 0 0.1
6 6 6.0
6 6 7.0
2X



0 0 0.1
0 3 5.3
0 1 9.4
3X
s467.01?T s208.02?T s134.03?T
( 2)计算各振型的地震影响系数
139.01 16.02 16.03
( 3)计算各振型的振型参与系数
363.11 428.02 063.03
( 4)计算各振型各楼层地震作用
kN4.167
kN4.334
kN2.334
第一振型
kN8.120?
kN7.120
kN9.120
第二振型
kN8.17
kN9.80?
kN2.107
第三振型
( 5)计算各振型的地震作用效应
2.334
6.668
836
1振型
8.120?
1.0?
8.120
2振型
8.17
1.63?
1.44
3振型
( 6)计算地震作用效应(层间剪力)
kN8.8452312212111 VVVV
kN6.6712322222122 VVVV
kN8.3 3 52332232133 VVVV
8.335
6.671
8.845
组合后各层地震剪力