TR.32.10.1.9 IS:1893 (Part 1)-2016 反应谱规范

该命令可用于根据 IS: 1893 (Part 1)-2016 为动力分析指定和应用 RESPONSE SPECTRUM 荷载。

地震荷载生成器可用于在 X、Y 和 Z 方向生成侧向荷载。

一般格式

以下格式的数据可以全部包含在一行中，或者分成两行或三行，只要第二行和第三行以 ACC 和 DOMINANT 或 SIGN 命令开头。

SPECTRUM comp-method IS1893 2016 ( TORSION (DECCENTRICITY f8) (ECCENTRICITY f9) ) *{ X f1 | Y f2  | Z f3 } 
{ ACCELERATION | DISPLACEMENT } (SCALE f4) {DAMP f5 | CDAMP | MDAMP } ( { LINEAR | LOGARITHMIC } ) (MISSING f6) (ZPA f7) (IGNORE f13) 
({ DOMINANT f10 | SIGN }) (IMR f11) (STARTCASE f12)

以下命令（SOIL TYPE 参数或反应谱数据对）必须在单独的行中。

{ SOIL TYPE f11 | *{ P1,V1; P2,V2; P3,V3;…PN,VN } }

以下命令（如果存在）必须在单独的行中。此命令执行层间位移检查。

( CHECK STORY DRIFT ) (RF f14)

其中:

Table 1. 用于 IS: 1893 (Part 1) 2016 反应谱的参数
参数 默认值 描述
DECCENTRICITY f8 当 ECC > 0 时，DEC 默认为 1.5

当 ECC < 0 时，DEC 默认为 1.0

（可选输入项）该参数是一个系数，当与静态偏心距（即质量中心与刚度中心之间的偏心距）相乘时，可得出动态偏心距。由于所施加的荷载作用在质量中心，所以分析中包含了因静态偏心距而产生的固有扭转效应。
ECCENTRICITY f9 0.05

这是一个表示偶然偏心距程度的系数。对于所有建筑，该系数应取值为0.05。不过，对于极度不规则的建筑，该系数可增大至0.10。该系数需用户输入，以便计算结构的设计偏心距。

由于偶然偏心可能出现在任意一侧，因此用户必须考虑作用在楼层面的侧向力会伴有顺时针或逆时针的偶然扭矩。如果 f9 值为正，则表示顺时针扭矩；如果为负，则表示逆时针扭矩。
X f1, Y f2, Z f3 0.0 输入的反应谱在X、Y和Z方向上的系数。 可以输入任意一个或所有三个方向。 如果某一方向没有指定，则缺省为0.0。
SCALE f4 1.0 线性比例因子，用于修正反应谱数据。 通常用于将g的单位转换为长度/秒2单位。 此输入是当前单位系统中对应的重力加速度值（因此为 9.81 m/s2 或 32.2 ft/s2)。
DAMP f5 0.05
阻尼比。 指定恰好为 0.0000011 的值以忽略阻尼。
MISSING f6

用于“缺失质量”法的可选参数。包含了未体现在振型中的质量所产生的静力效应。  此缺失质量振型的反应谱加速度为f6值，该值的单位为 长度/秒2（该值不与比例系数“SCALE”相乘）。 

如果f6为零，则使用零周期加速度ZPA 频率f7处的反应谱加速度。如果f7为零或未输入，那么将使用33赫兹（即零周期加速度，ZPA）处的反应谱加速度。  此计算结果将与振型组合结果采用平方和开平方（SRSS）方法进行组合。

ZPA f7 33 [Hz] 仅随MISSING选项一起使用的零周期加速度值。 如果未输入，默认为33 Hz。 如果输入了MISSING f6 ，该值将被打印出来，但不会被使用。
IGNORE f13 0.009

（可选输入）它表示在考虑 IS-1893 扭转规定时要排除的那些振型的质量参与度（百分比）。根据模型，可能会发现有许多局部振型和扭转振型，其质量参与度实际上可以忽略不计。这些振型可以在不影响最终分析结果的情况下被排除。如果未提供，则将考虑所有振型。如果未提供任何值，则将考虑默认值 0.009%。如果在任何反应谱工况中输入了 IGN，它将用于所有反应谱工况。

如果同时提供了 MODE SELECT 命令和 IGNORE 命令，则从分析中排除的振型数量将是那些被 MODE SELECT 命令取消选择的振型以及被 IGNORE 命令取消选择的振型。
DOMINANT f10 1 (1st Mode) 采用主模态方法。 所有反应谱分析结果将具有与单独激发的f10模态相同的正负符号，然后软件将考虑系数后的结果用作地震静态位移结果。 如果未输入值，则默认为模态1。 如果输入了0值，则使用在激发方向上具有最大质量参与百分比的模态（仅一个方向因子可以为非零值）。 主模态将基于结构模态的实际基底剪力而不是根据最大质量参与百分比参进行选择。
IMR f11 1 将单个模态响应（缩放模态）复制生成为荷载工况的数量。 默认为一个。 如果大于软件实际得到的实际模态数量 (NM)，则将重置为 NM。 软件使用的模态为模态1到f11。 缺失质量模态不能输出。
STARTCASE f12 Highest Load Case No. + 1 IMR参数中模态1的基本荷载工况编号。 默认为到软件计算时使用的最大荷载工况编号加一。 如果f12值不大于所有先前确定的荷载工况编号，则使用默认值。 对于模态2到NM，荷载工况编号为前一个工况编号加一。
SOIL TYPE f11

存在的土壤类型。根据周期、土壤类型和阻尼，计算平均反应加速度系数 Sa/g。

  • 1 = 岩石或硬土
  • 2 = 中等土壤
  • 3 = 软土场地
custom P1,V1; P2,V2; P3,V3; … Pn,Vn 数据是紧接在反应谱命令之后的输入部分，用于“自定义”反应谱。输入周期-值对（对之间用分号分隔）来描述反应谱曲线。周期以秒为单位，相应的值为加速度（当前长度单位/秒2）。如果数据是以 g 加速度单位表示，则反应谱数据将乘以的系数是 g 到当前长度单位（9.81、386.4 等）。
RF f14

反应折减系数。如果未指定，程序将查找在 DEFINE 1893 2016 LOAD 下定义的系数（请参阅 TR.31.2.12 IS:1893 (Part 1) 2016 规范 - 横向地震荷载）。如果那里也未提供，则假定系数为 1.0。

反应折减系数表示结构在指定地震动期间保持弹性时的最大地震力与设计地震力的比值。实际地震力通过系数 RF 折减以获得设计力。）

1893 表示按 IS:1893(Part 1)-2016 程序进行的分析。

comb-method = { SRSS | ABS | CQC | ASCE | TEN | CSM | GRP }是将每个模态的响应组合成总响应的方法。

SRSS
平方和的平方根方法。
ABS
绝对值的和。 此方法非常保守，代表最坏的工况组合结果。
CQC
完全二次组合方法（默认方法）。 对于密集型模态，推荐使用此方法而不是SRSS方法。
合力按如下方式计算：

where

ρnm
=
r
=
ωn/ωm ≤ 1.0
ASCE
采用美国核管理委员会监管指南第2修订版（2006年）中所述的用于振型组合的古普塔（Gupta）方法以及振型的刚性/周期部分相关内容。 在不存在冲突的情况下，采用美国土木工程师协会标准 ASCE4-98 中的定义。 对于振型阻尼周期部分的密集型振型相互作用，采用 ASCE4-98 中的公式 3.2-21（改进的罗森布鲁斯法）。
TEN
组合密集模态的百分之十方法。 美国核管理委员会监管指南 1.92（1976 年第 1.2.2 修订版）。
CSM
美国核管理委员会监管指南 1.92（1976 年第 1.2.2 修订版）。
GRP
密集模态分组方法。 美国核管理委员会监管指南 1.92（1976 年第 1.2.1 修订版）。
扭矩
表示需要考虑由于质量中心与刚度中心之间的偏心距产生的水平面扭矩。有关更多信息，请参阅 扭转。

楼层处的侧向剪力是在世界坐标 X 和 Z 方向上进行计算的。对于世界坐标的 Y 方向，将不考虑扭转的影响。

ACCELERATION 或 DISPLACEMENT
指示将要输入的是Acceleration 还是 Displacement 谱。 反应谱数据中加速度值与位移值之间的关系为：

where

ω
=
2π/Period (周期以秒为单位； ω以每秒周期为单位)
DAMP, MDAMP, and CDAMP
选择阻尼输入方式：
  • DAMP 表示对所有振型使用 f2 值
  • MDAMP 表示使用输入或通过 DEFINE DAMP 命令计算的阻尼值（如果已输入），否则将使用默认值 0.05
  • CDAMP 表示使用为每个振型计算的结构复合阻尼。您必须在 CONSTANT 特性下为不同材料指定阻尼
LINEAR或LOGARITHMIC
选择输入的反应谱与周期曲线是线性或对数差值方法，以便根据给定振型的周期来确定其反应谱值。 默认选项为线性。 由于反应谱与周期曲线通常仅在双对数坐标尺度上才是线性的，因此在这种情况下（尤其是在反应谱曲线中仅输入了几个点时），建议采用对数插值法。
SIGN
此选项会为所有反应谱结果创建带符号的值。 将各振型正值的平方和与各振型负值的平方和进行比较。 如果负值的平方和更大，结果就会被赋予负号。 若使用了ABS选项，则此命令会被忽略。
SAVE
此选项会创建一个加速度数据文件（文件名与模型文件名相同，扩展名为.acc）其中包含节点加速度（以重力加速度（g）和弧度/秒2 为单位）。 这些文件是纯文本文件，可以用任何文本编辑器（例如，记事本）打开查看。

方法

每个楼层在每个振型中的设计侧向剪力由 STAAD.Pro 根据印度 IS: 1893 (Part 1)-2016 的公式 7.8.4.5c 和 7.8.4.5d 计算。

Qik = Ak⋅ϕik⋅Pk⋅Wk

和

STAAD.Pro 使用以下程序生成侧向地震荷载。

  1. 您提供 Z/2⋅I/R 的值作为输入谱的系数。您计算表达式 Z/2⋅I/R 并使用术语 f1、f2 和 f3 提供这些值（如果适用），这些术语在下面的表格中解释。
  2. 程序计算前六个振型或指定振型的时间周期。
  3. 程序根据 IS 1893 2016 第 6.4.2 条和图 2(b)，利用每个振型的时间周期和阻尼计算每个振型的 Sa/g。

    对于 Y 方向，根据第 6.4.6 条，Sa/g 始终等于 2.5。

  4. 程序计算每个振型的设计水平加速度谱值 Ak。
  5. 程序然后计算每个振型的振型参与系数。
  6. 计算每个楼层在每个振型中的峰值侧向地震力。
  7. 计算每个振型的所有响应量。
  8. 然后根据指定方法（SRSS、CQC、 ABS、CSM 或 TEN）组合峰值响应量以获得最终结果。
根据第 7.7.3b 条，竖向地震的缩放系数应取 X 和 Z 方向缩放系数中的最大值（另请参阅下面的注释）。程序大致考虑三种情况来评估此最大值。这些情况是定义的荷载列表包含以下情况之一
  1. 在荷载工况中按任意顺序分别包含 X 方向反应谱、Y 方向反应谱和 Z 方向反应谱
  2. 在单个荷载工况中按任意顺序包含 XY 方向反应谱、YZ 方向反应谱和 XYZ 方向反应谱
  3. 前两种情况按任意顺序混合
对于任何具有竖向分量的荷载工况（即 Y、XY、YZ 或 XYZ 类型的反应谱），程序将使用所有在具有 Y 分量的前一个荷载工况之后列出的 preceding 荷载工况的缩放系数中的最大值。例如，对于具有以下 11 个荷载工况的模型，将使用以下缩放系数：
荷载工况编号 类型 缩放系数 用于缩放系数的荷载工况
1 X 2.18 1
2 XY 2.18 2
3 YZ 1 3
4 XZ 2.18 4
5 Y 2.18 max(3,4) = 4
6 X 2.18 6
7 Z 1 7
8 Y 2.18 max(6,7) = 6
9 XY 2.18 9
10 XZ 2.18 10
11 Y 2.18 max(9 ,10) = 9 = 10

有关 IMR 荷载工况生成的更多详细信息，请参阅 TR.32.10.1.1 自定义反应谱地震荷载。

注意

  1. 根据反应谱方法计算的设计基底剪力 VB_RS 与根据第 7.2.1 条基于基本时间周期的经验公式计算的基底剪力 VB_SS 进行比较。如果 VB_RS 小于 VB_RS，则根据第 7.7.3(a) 条，所有响应量将乘以 VB_SS/VB_RS（对于每个正交方向），并根据第 7.7.3(b) 条乘以 （当考虑竖向反应谱荷载时的响应放大）。

    为此，必须在定义任何基本荷载工况之前提供以下输入。

    DEFINE IS1893 2016 LOAD
    …
    …

    有关此命令结构的完整详细信息，请参阅 TR.31.2.12 IS:1893 (Part 1) 2016 规范 - 横向地震荷载。

  2. 尽管 IS 1893 2016 推荐阻尼比为 0.05，但您可以使用任何其他阻尼，值将根据表 3 计算。输出中将打印警告。
  3. 根据第 7.11.1 条，任何楼层的层间位移不应超过层高的 0.004 倍。要检查这一点，应在分析命令后给出以下命令。
    PRINT STORY DRIFT 

    如果层间位移超过此限制，将打印警告消息。

  4. 如果检测到任何软弱层（根据 IS:1893-2016 表 5 的定义），输出中将打印警告消息。

扭转

根据 IS 1893 2016 规范第 7.8 条的建议，由于质量中心与刚度中心之间的动态偏心距（即静态偏心距乘以动态放大系数）产生的扭转将与偶然扭转一起施加。动态偏心距由程序自动计算（在 TOR 和 TOR OPP 选项的两种情况下），而偶然偏心距的量可以通过 ECC 选项指定（如果未指定，将考虑默认值，即地震作用方向上楼层横向尺寸的 5%）。

非对称或扭转不平衡的建筑由于耦合的侧向和扭转运动（即建筑的平移振动在弹性范围内与其扭转振动耦合）而容易受到地震破坏。建筑的侧向和扭转振动之间的耦合水平可能更大，从而导致比弹性分析预测的显著更高的侧向-扭转耦合。

  • IS 1893 (Part 1) : 2016 的第 7.7.5.4 条适用于具有规则或名义上不规则平面配置的建筑。对于平面不规则的建筑，最好在分析中考虑动态偏心距产生的扭转；即使在反应谱分析中考虑了扭转耦合振动。
  • 第 7.8 条规定，如果执行了 3D 动力分析，则第 7.8 条给出的动态放大系数 1.5 可以替换为 1.0。这意味着规范还建议通过将动态和偶然偏心距产生的扭转包括在反应谱分析中，将第 7.8 条用于所有类型的建筑。

扭转方法

根据 IS1893-2016 规范，所有建筑均应考虑由于质量中心与刚度中心之间的偏心距产生的水平扭矩导致的侧向抗力构件剪力增加。

在反应谱分析中，所有响应量（即节点位移、构件内力、支座反力、板应力等）均为分析中考虑的每个振型计算。来自每个振型的这些响应量使用振型组合方法（通过 CQC、SRSS、ABS、TEN PERCENT 等）组合，以产生给定加速度方向的单个正结果。这个计算结果代表了地震荷载作用期间响应量可能出现的最大幅值。实际响应预计会在该最大计算量值的负值到正值这个范围内变化。

从反应谱分析中是无法得知在地震荷载作用期间软件计算得到的最大值实际何时出现，以及当时其他响应量的值是多少。例如，考虑两个节点 J2 和 J3，它们在整体 X 方向上的最大节点位移分别为 X1 和 X2。这意味着在地震荷载作用期间，节点 J2 在 X 方向的位移预计会在 - X1 到 + X1 之间变化，而节点 J3 在 X 方向的位移预计会在 - X2 到 + X2 之间变化。然而，这并不一定意味着当节点 J2 的 X 位移为 X1 时，节点 J3 的 X 位移也会是 X2。

基于上述原因，针对每个振型，软件会计算由于动态偏心以及偶然偏心（如果存在）在各楼层产生的扭矩。利用该整体荷载向量进行静力分析，为每个振型生成因扭矩产生的整体节点位移向量。最后，利用振型组合方法将所有振型反应谱分析得出的最终节点位移与扭矩产生的位移进行组合，得到最终可能的最大节点位移值。请参考以下说明的步骤。

步骤

对于每种振型，软件将执行以下步骤进而包含扭转定义：

  1. 计算各楼层的侧向楼层剪力。参考 IS 1893 (Part 1) : 2016 的第 7.7.5.4(c) 条。（楼层 i 在振型 k 的 Qik ）

  2. 计算各楼层的设计偏心距。参考第 7.8 条。

    因此，设计偏心距 edi = f15×esi + f12×bi 。有关详细信息，请参阅 动力偏心距。

  3. 计算各楼层的扭矩。（楼层 i 在振型 k 的 Mik = Qik × edi ）
  4. 计算各楼层与扭矩对应的侧向节点力。这些力代表了因扭转产生的附加楼层剪力。
  5. 采用这些节点力对结构进行静力分析。
  6. 将扭转产生的分析结果（即构件内力、节点位移、支座反力等）与反应谱分析得出的相应振型响应量进行代数相加。

振型组合

步骤 1 到 6 对所有考虑的振型和缺失质量修正（如果有）执行。最后，来自不同振型响应的峰值响应量根据 CQC 或 SRSS 或 TEN PERCENT 或 CSM 方法组合。

注意

分析完成后生成以下文件。
  1. 每个荷载工况的每个振型的楼层剪力在文件 <filename>_RESP1893.txt 中给出。
  2. 每个楼层的转动刚度在文件 <filename>_ROT1893.txt 中给出。
  3. 每个荷载工况的每个振型的每个楼层级别的质量中心、刚度中心、设计偏心距以及由于扭转产生的附加剪力在文件 <filename>_TOR1893.txt 中给出。

动力偏心距

静态偏心通常定义为各楼层处质心（CM）与刚度中心（CR）之间的距离。偶然偏心通常考虑以下因素：
  • 地面运动绕垂直轴的旋转分量，
  • 质量、刚度或强度的计算值与实际值之间的差异，以及
  • 不均匀的活载分布。
建筑第 i 层的设计偏心距 edi 的规定由以下方程给出：
edi = DEC×esi + ECC×bi

where

esi
=
第 i 层的静态偏心距
bi
=
第 i 层垂直于地面运动方向的平面尺寸
ECC 和 DEC
=
确定设计偏心距的系数。这些是输入参数。
IS 1893-2016 第 7.8.2 条定义了两个方程：
edi = 1.5×esi + 0.05×bi edi = 1.0×esi - 0.05×bi

通过包含可选命令 TORSION，默认使用第一个方程。为了考虑第二个方程，您可以简单地指定 ECC -0.05（此时 DEC 的默认值变为 1.0）。提供的 ECC 和 DEC 默认值满足要求，但可以手动指定参数。

示例

LOAD 1 LOADTYPE None  TITLE RS_X
SPECTRUM SRSS IS1893 2016 X 0.0432 DAMP 0.05
SOIL TYPE 1