基于性能的抗震設(shè)計理論與方法

1、基于結(jié)構(gòu)性能的抗震設(shè)計理論與方法1.1 問題的提出1.1.1 現(xiàn)行規(guī)范的抗震設(shè)計方法基本原理 ：基于力的設(shè)計方法存在問題設(shè)防目標(biāo)單一：主要是保證結(jié)構(gòu)安全不能有效地控制地震造成的損失1999 年 土耳其 IzmitM7.4死 1.5 亡萬余人，傷 2 萬余人1989 年美國 Loma PrietaM7.1傷亡數(shù)百人，經(jīng)濟(jì)損失為 150億美元1994年美國 NorthridgeM6.7傷亡 57人，經(jīng)濟(jì)損失為 170 億美元1995年日本阪神M7.1死亡 5500 多人，經(jīng)濟(jì)損失達(dá) 到創(chuàng)紀(jì)錄的 1000億美元 ，震 后的基本恢復(fù)重建工作花費(fèi) 2 年，耗資近 1000 億美元；1999年我國臺灣集鎮(zhèn)

2、M7.3死亡 2405 人，傷 11306人，經(jīng)濟(jì)損失近 100 億美元1.1.2 抗震設(shè)計新理論基本原理 ：基于性能的抗震設(shè)計理論 (Performance Based Seismic Design)基于性能的抗震設(shè)計理論是 20 世紀(jì) 90 年代初由美國學(xué)者提出， 按此理論設(shè)計的結(jié)構(gòu)在未來的地震災(zāi)害下 能夠維持所要求的性能水 平。發(fā)展現(xiàn)狀基于性能的抗震設(shè)計作為一種更合理的設(shè)計理念， 代表了未來結(jié) 構(gòu)抗震設(shè)計的發(fā)展方向，引起了各國廣泛的重視。美國美國應(yīng)用技術(shù)委員會 ATC-33(1992) 率先將基于位移的設(shè)計思想 引入在用結(jié)構(gòu)的抗震加固；美國聯(lián)邦緊急管理廳資助的國家地震減災(zāi)項目 NEHRP

3、 提出了在 用結(jié)構(gòu)基于位移的抗震評估及加固方法， 于1997年出版了 房屋抗震 加固指南 (FEMA273/274) ；ATC-40(1996)和加州結(jié)構(gòu)工程師協(xié)會 1995年公布的 SEAOC2000 都引入了基于位移的抗震設(shè)計方法；美國國際規(guī)范委員會 (ICC)1997 年出版的國際建筑規(guī)范 2000(草 案 ) IBC2000(Draft) 強(qiáng)調(diào)了與結(jié)構(gòu)位移設(shè)計有關(guān)的內(nèi)容。2003 年美國 ICC ( International Code Council ) 發(fā)布了建筑物 及設(shè)施的性能規(guī)范日本 1995年開始進(jìn)行了為期 3年的 “建筑結(jié)構(gòu)的新設(shè)計框架開發(fā) ”研究 項目，并在研究報告 “基

4、于性能的建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計 ”中總結(jié)了研究成果。2000年 6月 實 行 了 新 的 基 于 性 能 的 建 筑 基 準(zhǔn) 法 (Building Standard Law)。歐洲1998年歐洲 CEB出版鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)控制彈塑性反應(yīng)的抗震設(shè) 計：設(shè)計概念及規(guī)范的新進(jìn)展 ，提出了用基于位移的方法評估在用 結(jié)構(gòu)的抗震性能和進(jìn)行抗震加固設(shè)計， 將構(gòu)件塑性鉸區(qū)的曲率轉(zhuǎn)化為 對混凝土極限壓應(yīng)變的要求， 以此設(shè)計塑性鉸區(qū)的約束箍筋， 避免縱 筋壓屈并保證混凝土有能力達(dá)到要求的極限壓應(yīng)變。歐洲混凝土協(xié)會 (CEB) 于 2003年出版了 “鋼筋混凝土建筑結(jié)構(gòu) 基于位移的抗震設(shè)計 ”報告。澳大利亞則在基于性能設(shè)計的

5、整體框架以及建筑防火性能設(shè)計等方面做了許多研究 , 提出了相應(yīng)的建筑規(guī)范 (BCA 1996)。中國國家自然科學(xué)基金 “八五”重大項目 “城市與工程減災(zāi)基礎(chǔ)研究 ” 的有關(guān)專題就開始涉及到這方面的研究。國家自然科學(xué)基金 “九五”重大項目 “大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)體系的關(guān)鍵科 學(xué)問題和設(shè)計理論 ”的一些專題包含了這方面的部分內(nèi)容。中國建筑科學(xué)研究院工程抗震研究所聯(lián)合國內(nèi)部分高校和研究 所開展了 “我國 2000年工程抗震設(shè)計模式規(guī)范 ”的研究，并于 2000年 建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報第一期介紹了這方面的研究成果。中國工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)化 協(xié)會標(biāo)準(zhǔn) 建筑工程抗震性態(tài)設(shè)計通則 (CECS160：2004)目前正在修訂的 國家

6、標(biāo)準(zhǔn)建筑抗震設(shè)計規(guī)范 、混凝土結(jié)構(gòu)設(shè) 計規(guī)范 擬納入基于性能的抗震設(shè)計方法。1.2 基本概念和理論框架1.2.1 基本概念 根據(jù)地震作用的不確定性(發(fā)生時間、強(qiáng)度和持時等)以及結(jié)構(gòu) 抗力的不確定性， 對不同風(fēng)險水平的地震作用 ，使結(jié)構(gòu)滿足 不同的功 能要求。1.2.2 理論框架1地震風(fēng)險水平 （Hazard Level） - 地震設(shè)防水準(zhǔn) 未來可能作用于場地的地震作用的大小。 或者說，應(yīng)選擇多大強(qiáng) 度的地震作為防御的對象。中國抗震設(shè)計規(guī)范 GB50011-2001三水準(zhǔn)設(shè)防中國地震風(fēng)險水平地震作用 水平50 年超越概 率重現(xiàn)期（年）小震63.2%50中震10%475大震23%24951642美

7、國有關(guān)部門的研究報告 FEMA 273 、 SEAOC Vision 2000 美國地震風(fēng)險水平地震作用 水平FEMA 方案SEAOC 方案50年 超越概率重現(xiàn)期（年）超越概率重現(xiàn)期（年）常遇地震50%7230年 50%43偶遇地震20%22550年50%72稀遇地震10%47450年10%474罕遇地震2%2475100年 10%9702性能水平（ Performance Level） 建筑物在特定的某一地震作用下 預(yù)期破壞的最大程度我國抗震設(shè)計規(guī)范 GB50011-2001小震不壞 基本完好 =15/50中震可修 中等破壞大震不倒 嚴(yán)重破壞 1=/50美國 SEAOC 關(guān)于混凝土框架的 性

8、能水平性能水平使用良好使用無害人生安全防止倒塌震害程度基本完好輕微破壞中等破壞嚴(yán)重破壞瞬時 h/<1/500<1/200<1/67<1/40永久 h/<1/200<1/40性能水平的 定性描述 以及量化指標(biāo)3性能目標(biāo) (Performance Objective) 建筑物應(yīng)達(dá)到的性能水平。 結(jié)構(gòu)的性能目標(biāo)是指在一定超越概率 的地震發(fā)生時，結(jié)構(gòu)期望的最大破壞程度。我國抗震規(guī)范 的目標(biāo)性能是：小震不壞、中震可修、大震不倒。建筑物 性能目標(biāo)地震風(fēng)險 水平性能水平使用 良好使用 無害人身 安全防止 倒塌常遇地震aooo偶遇地震eboo稀遇地震hfco罕遇地震igd基

9、本 性能目標(biāo)： a，b，c，d 重要 性能目標(biāo)： e，f，g 特別 性能目標(biāo)： h，i 不可 接 受：o表 3 FEMA 273 的性能目標(biāo)地震風(fēng)險性能水平正常使用立即入住生命安全防止倒塌50%/50 年abcd20%/50 年efgh10%/50 年ijkl2%/50 年mnopFEMA 273 考慮了三類目標(biāo)性能： 基本安全目標(biāo)： k+p 加強(qiáng)目標(biāo)： k+p+(a,e,i,m)或(b,f,j,n) 的任一個， 有限目標(biāo)： k,p,c,d,g,h表 4 SEAOC Vision 2000 的性能目標(biāo)地震風(fēng)險性能水平完全正常使 用正常使用生命安全接近倒塌50%/30 年100050%/50 年

10、210010%/50 年321010%/100 年321SEAOC Vision 2000 考慮了三類目標(biāo)性能： 基本目標(biāo)： 1 主要 /風(fēng)險目標(biāo)： 2 安全臨界目標(biāo)： 3另外， 0表示不可接受的目標(biāo)。ATC 40 沒有給出一般的性能目標(biāo)，而很具建筑結(jié)構(gòu)的重要性和 用途等特點，給除了參考目標(biāo)性能，如普通建筑的目標(biāo)性能(結(jié)構(gòu)部分)可取表 5 所示。表 5 ATC 40 的性能目標(biāo)地震風(fēng)險結(jié)構(gòu)類型新建筑普通加固高人口密度最少修理 時間50%/50 年10%/50 年破壞控制生命安全生命安全立即入住5%/50 年結(jié)構(gòu)穩(wěn)定生命安全表 6 日本研究報告的性能目標(biāo)地震風(fēng)險性能水平正常使用易修復(fù)生命安全Ea

11、AEbABEcABCEdBCEeC表 6 中，地震作用從 Ea 到 Ee，其強(qiáng)度依次減小， Ed 和 Ee 相當(dāng) 于中等烈度的地震， Ec 相當(dāng)于高烈度地震。根據(jù)實際情況，可以采 用不同的目標(biāo)性能， 如 AAA 、AAB、ABC、BBA、BBB、BBC、CCA 、 CCB、CCC ，其中，目標(biāo)性能 CCC 為設(shè)計規(guī)范規(guī)定的最低性能水平。1.3 基于變形（位移）的抗震設(shè)計理論與方法1.3.1 問題的提出基于性能 的抗震設(shè)計 如何 具體操作（如何實現(xiàn)，通過何種途徑） 結(jié)構(gòu)性參數(shù)強(qiáng)度（ strength），剛度 （stiffness，） 延性 （ductility） 均與變形有關(guān) 剛度（變形） T

12、F M,N,V 構(gòu)件承載力設(shè)計（強(qiáng)度） 以變形作為設(shè)計變量，最能反映結(jié)構(gòu)的性能。結(jié)構(gòu)的破壞程度 結(jié)構(gòu)構(gòu)件和非結(jié)構(gòu)構(gòu)件：用 層間位移 控制破壞程度 約束混凝土構(gòu)件：用混凝土 極限壓應(yīng)變 控制受壓破壞RC 構(gòu)件屈服后的抗剪強(qiáng)度：與構(gòu)件的 彈塑性 變形有很大關(guān)系結(jié)構(gòu)的破壞程度與變形的關(guān)系比受力的關(guān)系更為密切 ?；谧冃危ㄎ灰疲┑目拐鹪O(shè)計 -以變形（位移）作為設(shè)計變量 （Deformation/Displacement-Based Seismic DesginDBSD）方法分類直接基于位移的抗震設(shè)計方法(Direct Displacement-Based Seismic Desg)in能力譜法 (Ca

13、pacity Spectrum Method)按延性系數(shù)的設(shè)計方法( Ductility-Based Seismic Desgi)n1.3.2 直接基于位移的抗震設(shè)計方法 直接基于位移的方法步驟如下：（1）建立位移反應(yīng)譜?；痉椒▁(t) 1 0 xg ( )e (t ) sin (t )dT t2T (t ) 2Sd 2T 0 xg( )e Tsin 2T (t )d 輸入地震波xg （t） 給定 T, 計算位移建立具有不同阻尼比 的位移反應(yīng)譜規(guī)范加速度反應(yīng)譜 位移反應(yīng)譜Sd （2T ）2Sa2）選擇一個初始位移形狀（一開始，就將位移作為設(shè)計變量 ）圖1 等截面剪切懸臂 桿的側(cè)移模式圖2 等

14、截面彎曲懸臂 桿的側(cè)移模式z桿的側(cè)移模式i yi pi根據(jù)層間位移限值確定取第一振型的振型曲線取某種荷載作用下 的側(cè)移曲線ui1iur3）計算等效單自由度體系 的目標(biāo)位移 ueff ：n2miui2 ui 1urueffnmiui1i1圖 1.2 直接基于位移的抗震設(shè)計基本思路4）確定等效單自由度體系的 等效質(zhì)量 ：5）確定結(jié)構(gòu)的 等效阻尼比 e 。由延性系數(shù) 和結(jié)構(gòu)體系按圖1.2(c)確定。eff 0 0.2(1 1 )2 1 1 eff 0 1 20.371 1 1 eff 0 0.0587（ 1）0.371eff 0 （1 ）（6）根據(jù)等效位移 ueff 及等效阻尼比 e ，由位移反應(yīng)譜

15、確定等效周期Te。（7）確定等效單自由度體系的 等效剛度 Ke：Ke42Te2Me1.5)式中， Te為等效單自由度體系的周期，由圖1.2（ d）根據(jù)等效單自由度體系的 ueff ， e 確定。（5）計算設(shè)計基底剪力和水平地震力 ：等效單自由度體系的位 移、剛度確定后，等效單自由度體系的地震作用 Fd（圖 1.2（b）， 即原結(jié)構(gòu)的設(shè)計基底剪力 Vb 由下式確定：1.6)VbK eueff水平地震力沿原結(jié)構(gòu)高度的分布（圖 1.2（a）可以用下式計算：Fimiuimjujj1（6） 對結(jié)構(gòu)進(jìn)行剛度設(shè)計和承載力設(shè)計。 計算重力荷載效應(yīng)及 水平地震作用效應(yīng)，內(nèi)力組合，截面配筋計算。（7）對結(jié)構(gòu)進(jìn)行非

16、線性靜力分析（ Pushover Analysis），校核結(jié) 構(gòu)的側(cè)移形狀與預(yù)先假定的是否一致； 評價結(jié)構(gòu)的變形及承載力是否 滿足要求。8）如果結(jié)構(gòu)的側(cè)移形狀與預(yù)先假定的不一致，或者結(jié)構(gòu)的變形及承載力不滿足要求，則應(yīng)修改剛度分布和承載力特點：（1）設(shè)計一開始，即以 位移作為設(shè)計變量。（2）根據(jù)在一定水準(zhǔn)地震作用下 預(yù)期的位移 計算地震作用 ，進(jìn)行 結(jié)構(gòu)設(shè)計，以使構(gòu)件達(dá)到預(yù)期的變形，結(jié)構(gòu)達(dá)到預(yù)期的位移。（3）設(shè)計者可以控制結(jié)構(gòu)的破壞狀況。uihi ui ui 1 ui結(jié)構(gòu)的側(cè)移形狀按滿足性能水平的層間側(cè)移角來控制。缺點：由上述可見，直接基于位移的抗震設(shè)計方法實際上僅考慮 了結(jié)構(gòu)第 1 振型，因而

17、適用于中低層建筑結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計， 而對于高 振型影響 較大的高層及復(fù)雜結(jié)構(gòu)會產(chǎn)生較大的誤差。附注：取 某種荷載作用下 的側(cè)移曲線框架結(jié)構(gòu) 假定水平地震作用為倒三角形分布，則 等截面剪切懸臂 桿（圖 1）在任意高度 z 處的側(cè)移 u（z） 可表示為u(z) 6qGHA2HH 如令 z/ H ，則上式可改寫為uut1 3 32圖1 等截面剪切懸臂 桿的側(cè)移模式圖2 等截面彎曲懸臂 桿的側(cè)移模式y(tǒng)圖3 等截面彎剪懸臂 桿的側(cè)移模式6GA5)剪力墻結(jié)構(gòu)：用作用倒三角形分布荷載的等截面彎曲懸臂桿的側(cè) 移曲線作為其側(cè)移模式(圖 2)，任意高度 z( H )處的側(cè)移 u( )為 u( ) H (20 2 1

18、0 3 5)40式中，為剪力墻底層下端截面的曲率。對于“使用良好”性能水平，可假定其彈性極限為剪力墻底層下端 截面的曲率剛好達(dá)到該截面的屈服曲率y ，相應(yīng)的目標(biāo)側(cè)移曲線為yH26)u( ) y H (20 2 10 3 5)40 式中，截面的屈服曲率 y 可按下式確定 10：y 2 y/hw(7)其中， y 為配置在剪力墻截面兩端的縱向受力鋼筋的屈服應(yīng)變；hw為剪力墻截面高度。框架-剪力墻結(jié)構(gòu)：可用作用倒三角形分布荷載的 等截面彎剪懸臂 桿的側(cè)移曲線作為其側(cè)移模式(圖 2)，任意高度 z( H )處的側(cè)移 u( ) 為u( ) 3 H 2 11 sh sh ch 1 12 2 3 ch 2 2

19、 式中， 為剪力墻底層下端截面的曲率；對于y 代入式( 8)，得到相應(yīng)的目標(biāo)側(cè)移曲線；1 sh 36“使用良好”性能水平，可用該截面的屈服曲率 為框架 -剪力墻結(jié)構(gòu)的剛度特征值。8)1.3.3 能力譜法1抗震性能評估2抗震設(shè)計初步設(shè)計結(jié)構(gòu) 靜力彈塑性分析，建立能力曲線 建立需 求曲線 將能力曲線與需求曲線置于同一坐標(biāo)中，交點為“性 能點” 等效單自由度體系的位移 原多自由度體系的位移 判別結(jié)構(gòu)是否滿足要求能力譜法 (Capacity Spectrum Method) 基本思想 : 在同一圖上建立兩條譜曲線，一條是將力 -位移曲線轉(zhuǎn) 化為 能力譜曲線 ，另一條為將加速度反應(yīng)譜轉(zhuǎn)化為 需求譜曲線

20、， 把兩條曲線繪在同一圖上，兩條曲線的 交點 為“目標(biāo)位移點 ”，亦 稱“性能點 ”。地震需求 ：結(jié)構(gòu)在地震作用下的反應(yīng)(加速度、位移、內(nèi)力等) 該圖以位移為橫坐標(biāo)， 加速度為縱坐標(biāo)， 稱為 ADRS (Acceleration Displacement Response Spectrum格) 式?！澳芰ψV ”和 “需求譜 ”應(yīng)分別稱之為 “能力曲線 (capacity curve) ” 和 “需求曲線 (demand curve) ?！?建立能力曲線和需求曲線是能力譜法的關(guān)鍵。方法1)推覆分析(Pushover Analysi)s：在結(jié)構(gòu)上施加靜力荷載， 進(jìn)行Pushover分析，直至結(jié)構(gòu)倒

21、塌或整體剛度矩陣 det K 0 ，可以得到 結(jié)構(gòu)的基底剪力 Vb-頂點位移 ur曲線圖 6.1.3( a) a） pushover 曲線（ c1） 折減的彈性需求譜Sa（d1） 與等效阻尼比有關(guān)的能力譜方法b） 能力譜s=1d2） 與延性有關(guān)的能力譜方法c2）彈塑性需求譜圖 6.1.3 能力譜法2）建立能力曲線 。假定結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)以第一振型為主，且在整 個地震反應(yīng)過程中結(jié)構(gòu)沿高度的側(cè)移可以用一個不變的形狀向量表 示，這樣就可以將原結(jié)構(gòu)等效為一個單自由度體系，而Vb-ur 曲線也相應(yīng)地按下式逐點轉(zhuǎn)化為 等效自由度體系的譜加速度 Sa-譜位移 Sd 曲 線（ADRS 格式）圖 6.1.3（b）

22、:Sa, Sd（6.1.28）M 11式中： 1,M1 分別為結(jié)構(gòu)第一振型的振型參與系數(shù)和模態(tài)質(zhì)量，第一振型向量按頂點向量 位移為 1 正則化。3）建立需求曲線 ?？刹捎脙煞N方法建立需求曲線：一是將規(guī)范的 加速度反應(yīng)譜轉(zhuǎn)化為需求曲線， 二是采用地面運(yùn)動加速度時程作為結(jié) 構(gòu)的輸入直接建立需求曲線。 如采用前者， 則可以按下式將標(biāo)準(zhǔn)的加 速度反應(yīng)譜（ Sa T譜）轉(zhuǎn)化為 Sa Sd譜曲線（ ADRS 格式）：T2Sd （ ）2Sa（ 6.1.29）2式中， T 為結(jié)構(gòu)自振周期。對于不同的阻尼比，可以按式（ 6.1.29）建立不同的需求曲線，如圖 6.1.3（ c1）所示。Chopra 等6.13提出采用 彈塑性反應(yīng)譜建立需求曲線 ，且采用的是等延性加速度反應(yīng)譜。 非彈性位移 與加速度、周期之間存在以下關(guān)系：R26.1.30)Sa,Sd 分別為單自由度彈性體系的譜加速度和譜位移；Sd p為單自由度非彈性體系的譜位移；為位移延性系數(shù)；R 表示由于結(jié)構(gòu)的非彈性變形對彈性地震力的折減系數(shù)， 按下列各式 確定：(6.1.31a)6.1.31b)R ( 1) T 1 T T