基于性能理論的RC框架結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計新法_辛力

1、第39卷 第6期2007年12月西安建筑科技大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版J 1Xi .an Univ.of Arch.&Tech.(N atur al Science EditionV ol.39 N o.6Dec.2007基于性能理論的RC 框架結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計新法辛 力,梁興文(西安建筑科技大學(xué)土木工程學(xué)院,陜西西安710055摘 要:根據(jù)現(xiàn)行規(guī)范的/三水準(zhǔn)0設(shè)防目標(biāo)定義結(jié)構(gòu)的性能水平及性能目標(biāo),從滿足性能目標(biāo)的Pusho ver 分析結(jié)果出發(fā),分析了框架結(jié)構(gòu)彈性剛度、設(shè)計承載力取值以及梁柱端配箍特征值三因素對Pushover 曲線走勢的影響.一方面,找出能夠滿足性能目標(biāo)的結(jié)構(gòu)彈性剛度及設(shè)計承載力取值

2、;另一方面,通過變形能力設(shè)計方法,驗證了現(xiàn)行規(guī)范框架結(jié)構(gòu)的構(gòu)造措施基本滿足變形能力要求.建立了以規(guī)范的抗震設(shè)計過程為基礎(chǔ),能夠滿足結(jié)構(gòu)性能目標(biāo)的一種新的抗震設(shè)計方法,并通過算例分析說明了該方法的基本過程.關(guān)鍵詞:三水準(zhǔn);靜力彈塑性分析;彈性剛度;設(shè)計承載力;變形能力中圖分類號:T U 318 文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A 文章編號:1006-7930(200706-0790-07我國抗震設(shè)計規(guī)范1以結(jié)構(gòu)承載力設(shè)計為前提,僅通過對小震、大震作用下的位移驗算控制結(jié)構(gòu)的變形.一方面,它對結(jié)構(gòu)位移的控制顯得粗略,且設(shè)防目標(biāo)比較單一;另一方面,它難以有效控制結(jié)構(gòu)在中震情況下的性態(tài).基于位移的抗震設(shè)計以結(jié)構(gòu)的位移為控制

3、指標(biāo),從而控制結(jié)構(gòu)的性能水平,實現(xiàn)預(yù)期的性能目標(biāo),是一種比基于力的抗震設(shè)計更為先進(jìn)、合理的設(shè)計方法,代表著結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計的發(fā)展方向.現(xiàn)階段,基于位移的抗震設(shè)計在結(jié)構(gòu)目標(biāo)位移的選取、彈塑性位移反應(yīng)譜的建立、影響抗震設(shè)計的各種不確定因素的量化和確定方法等方面還存在許多問題,導(dǎo)致這種新的設(shè)計方法目前難以應(yīng)用于工程實際.以規(guī)范1/三水準(zhǔn)0設(shè)防目標(biāo)為依據(jù),將基于力的設(shè)計方法和直接基于位移的計方法相結(jié)合,建立以現(xiàn)行規(guī)范抗震設(shè)計方法為基礎(chǔ),可滿足/三水準(zhǔn)0性能目標(biāo)要求,又省去結(jié)構(gòu)變形驗算的一種新的RC 框架結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計方法,可作為基于力的抗震設(shè)計向基于位移的抗震設(shè)計轉(zhuǎn)化的一個過渡. 圖1 需求曲線與能力曲線的

4、關(guān)系Fig.1 Th e relationsh ip b etw een d emand curveand capacity1 結(jié)構(gòu)的性能目標(biāo)及性能評估標(biāo)準(zhǔn)為與我國建筑抗震設(shè)計規(guī)范1的/三水柱0設(shè)防目標(biāo)相協(xié)調(diào),將建筑結(jié)構(gòu)的性能劃分為三個水平,即使用良好、保證人身安全和防止倒塌,并用層間位移角加以量化,即在設(shè)計地震作用下,以結(jié)構(gòu)的最大層間位移角不超過某一限值作為性能目標(biāo).三性能水平對應(yīng)的地震風(fēng)險水準(zhǔn)取現(xiàn)行規(guī)范1的小震、中震和大震.文獻(xiàn)2通過分析大量試驗結(jié)果并結(jié)合現(xiàn)行規(guī)范1,給出了框架結(jié)構(gòu)三性能水平對應(yīng)層間位移角限值:使用良好-H *=1/550;保證人身安全-H *=1/200;防止倒塌-H *

5、=1/50.經(jīng)過計算分析,本文認(rèn)為上述設(shè)防目標(biāo)對中震情況下結(jié)構(gòu)性能要求偏高,對其稍作調(diào)整,取人身安全性能水平-H *=1/150.以結(jié)構(gòu)最大層間位移角達(dá)到上述限值時的側(cè)移曲線,作為某一性能水平的目標(biāo)側(cè)移曲線,分別對結(jié)構(gòu)進(jìn)*收稿日期:2007-07-14基金項目:國家自然科學(xué)基金資助項目(50678146作者簡介:辛 力(1981-,男,陜西大荔人,博士研究生,主要從事結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計方面的研究工作.行直接基于位移的抗震計算,可求得各性能水平的地震需求,具體的計算過程詳見文獻(xiàn)2.將三性能水平的地震需求與對應(yīng)的結(jié)構(gòu)目標(biāo)位移在V -u (基底剪力-頂點位移坐標(biāo)上表示,如圖1中的A 、B 、C 三點,連接

6、OA BC ,構(gòu)成結(jié)構(gòu)需求曲線,需求曲線反映了結(jié)構(gòu)達(dá)到各性能水平目標(biāo)位移時的抗震承載力需求;然后對初步設(shè)計的結(jié)構(gòu)進(jìn)行Pushover 分析,記錄基底剪力-頂點位移關(guān)系曲線,即為能力曲線,能力曲線反映了結(jié)構(gòu)的實際抗震承載力.本文假定結(jié)構(gòu)為理想彈塑性體,則能力曲線轉(zhuǎn)化為二折線,將其與需求曲線在同坐標(biāo)表達(dá),如果能力曲線高于需求曲線,則證明結(jié)構(gòu)實際承載力大于承載力需求,可保證結(jié)構(gòu)實際位移小于目標(biāo)位移,滿足性能目標(biāo)要求,設(shè)計結(jié)果可靠 .圖2 等效單自由度體系的能力曲線與需求曲線Fig.2 Th e capacity cu rve and dem and cu rve of equ ivalent sin

7、gle -degree -of -freedom sys tem2 結(jié)構(gòu)設(shè)計方案的選取2.1 結(jié)構(gòu)剛度選取原則將多自由度結(jié)構(gòu)等效轉(zhuǎn)化為單自由度體系處理,具體的轉(zhuǎn)化過程可參考文獻(xiàn)2.則二折線能力曲線與需求曲線轉(zhuǎn)化為圖2形式.圖中,u eff 為等效單自由度體系的等效位移;K 、K eff 分別表示結(jié)構(gòu)等效單自由度體系的彈性剛度以及/使用良好0性能水平的等效剛度,K eff 可通過結(jié)構(gòu)的目標(biāo)位移由位移反應(yīng)譜求得.可以看出,只要結(jié)構(gòu)彈性剛度K 大于/使用良好0性能水平的等效剛度K eff ,即可保證能力曲線在/使用良好0性能水平高于需求曲線.根據(jù)質(zhì)量、剛度與周期的關(guān)系,可知如果結(jié)構(gòu)的彈性基本自振周期

8、T 小于/使用良好0性能水平的等效周期T eff ,即可滿足/使用良好0性能水平的性能目標(biāo)要求.2.2 框架結(jié)構(gòu)/使用良好0性能水平的等效周期基于位移的抗震設(shè)計中,結(jié)構(gòu)某一性能水平的等效周期T eff 由其目標(biāo)位移和位移反應(yīng)譜求得.為獲得框架結(jié)構(gòu)任意性能水平的目標(biāo)側(cè)移,首先應(yīng)確定結(jié)構(gòu)的側(cè)移模式.文獻(xiàn)2給出了質(zhì)量,剛度沿高度分布較均勻時,倒三角分布荷載作用于框架結(jié)構(gòu)的側(cè)移模式:u(N =(N u t(1(N =0.5(3N -N 3(2式中:u t 為等截面剪切懸臂桿在倒三角形分布荷載作用下的頂點側(cè)移;(N 可視為結(jié)構(gòu)第一振型形狀;其中N =z /H ,z 為結(jié)構(gòu)任一點距地面高度,H 為結(jié)構(gòu)總高

9、度.框架結(jié)構(gòu)側(cè)移模式為剪切型,現(xiàn)假定框架結(jié)構(gòu)底層層間側(cè)移角最大,以結(jié)構(gòu)底層層間側(cè)移角達(dá)到H *=1/550時的側(cè)移曲線作為/使用良好0性能水平的目標(biāo)位移曲線.在底層層高已知的情況下,由式(1、式(2可得結(jié)構(gòu)使用良好性能水平的目標(biāo)頂點位移:u *t =u(N 1/(N 1=2H 1H */(3N 1-N 31=2H /550(3-N 21(3式中:u *t 為結(jié)構(gòu)使用良好性能水平的目標(biāo)頂點位移;N 1為結(jié)構(gòu)第一層的相對高度;H 1為結(jié)構(gòu)第一層層高;H *為結(jié)構(gòu)某一性能水平層間側(cè)移角限值.將式(1中的u t 換為u *t ,可得結(jié)構(gòu)等效單自由度體系的等效位移2:u eff =E ni=1m i u

10、2iE ni=1m iui=E ni=1m i(N iu*t2E ni =1m i(N iu*t=u *t C 1(4式中:m i 、u i 分別為第i 層的集中質(zhì)量和目標(biāo)位移,C 1為第一振型參與系數(shù).基于位移的抗震設(shè)計是建立在彈塑性位移反應(yīng)譜的基礎(chǔ)上的.在目前尚無符合我國實際的位移反應(yīng)譜的情況下,一般是根據(jù)現(xiàn)行規(guī)范的加速度反應(yīng)譜S a (T ,按下式換算為位移反應(yīng)譜:S d =T /(2P 2S a (5將S d =u eff 代入式(5可求得結(jié)構(gòu)等效周期.對于一般框架結(jié)構(gòu)(T g T 15T g ,/使用良好0性791第6期 辛 力等:基于性能理論的RC 框架結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計新法能水平的等效

11、周期為:T eff =4P 2u *t T 0.9g C1A max g 12-C=8P 2H 550T 0.9g C 1A max g(3-N 210.91(6式中:T g 為特征周期;其他與加速度反應(yīng)譜相關(guān)的參數(shù)可參考現(xiàn)行規(guī)范1,由于結(jié)構(gòu)處于彈性階段,阻尼比取F =0.05.2.3 框架結(jié)構(gòu)設(shè)計方案選取原則框架結(jié)構(gòu)設(shè)計方案應(yīng)同時具備兩個條件:一方面,結(jié)構(gòu)的彈性基本自振周期應(yīng)小于式(6計算所得的T eff ;另外,為保證框架柱發(fā)生具有一定延性的大偏壓破壞,結(jié)構(gòu)方案應(yīng)能滿足規(guī)范1對框架柱的軸壓比限值要求.本文選取能夠滿足上述兩個條件的結(jié)構(gòu)最小剛度為設(shè)計方案,做到既安全又經(jīng)濟.3 結(jié)構(gòu)的設(shè)計地震

12、作用取值該方法的設(shè)計宗旨是,將結(jié)構(gòu)設(shè)計地震作用與相應(yīng)的重力荷載效應(yīng)及風(fēng)荷載效應(yīng)組合,按現(xiàn)行規(guī)范1進(jìn)行構(gòu)件截面承載力計算,并采取必要的構(gòu)造措施,使結(jié)構(gòu)能夠滿足三性能水平的承載力要求.因而,設(shè)計地震作用的取值應(yīng)能滿足三性能水平的承載力需求.Pushover 曲線反映了結(jié)構(gòu)的實際承載能力,假定結(jié)構(gòu)為理想彈塑性體,即可認(rèn)為二折線能力曲線對應(yīng)的屈服基底剪力即為結(jié)構(gòu)的最大抗震承載力.由圖2可知,結(jié)構(gòu)的最大抗震承載力應(yīng)大于三性能水平的承載力需求,才能滿足預(yù)期的性能目標(biāo),即要求水平直線EF 應(yīng)高于斜直線B c C c ,從經(jīng)濟角度考慮,本文假定EF 剛好經(jīng)過B c 、C c 中較高的一個.結(jié)構(gòu)實際的抗震能力通

13、常要大于其設(shè)計抗震能力(設(shè)計地震作用3-4.超強系數(shù)K 定義為前者與后者的比值.按現(xiàn)行規(guī)范1對結(jié)構(gòu)進(jìn)行承載力設(shè)計時,如僅考慮地震作用分項系數(shù)1.3、材料分項系數(shù)(C s =1.1及C c =1.4的平均值、內(nèi)力調(diào)整值(平均取1.2以及承載力抗震調(diào)整系數(shù)C RE (本文取1.2C R E =1,得:K =1.3(1.1+1.4/21.2C RE =1.625(7對于現(xiàn)行規(guī)范1,文獻(xiàn)4認(rèn)為框架結(jié)構(gòu)K 取2比較合理,故本文取K =1.625比較保守,可以接受.求得結(jié)構(gòu)各性能水平的地震需求后,選取三者的最大值作為結(jié)構(gòu)地震需求(實際承載力需求,將其除以K ,可得到設(shè)計地震作用取值V b ,將其按結(jié)構(gòu)側(cè)移

14、模式分配到各層,得結(jié)構(gòu)第i 層水平地震作用2:F i =m i (N i E nj=1m j (Nj (8將其與豎向荷載,風(fēng)荷載等進(jìn)行組合,進(jìn)行構(gòu)件截面承載力設(shè)計,確保結(jié)構(gòu)滿足承載力需求.圖3 V -L D -G c 的關(guān)系曲線Fig.3 Th e relationsh ip b etw ecn V -L D -G c4 結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的變形能力要求結(jié)構(gòu)要滿足性能目標(biāo),還應(yīng)有足夠的變形能力,反映在圖2上,即要求能力曲線的F點處于需求曲線C p 點的右方.框架結(jié)構(gòu)防止倒塌性能水平的極限層間位移角為H *=1/50,即要求框架結(jié)構(gòu)層間側(cè)移角能夠達(dá)到1/50.按照文獻(xiàn)5-7的變形能力設(shè)計方法,本文給出規(guī)

15、范1規(guī)定的軸壓比限值及箍筋加密區(qū)最小配箍率對應(yīng)的柱、相對受壓區(qū)高度為上限值及箍筋加密區(qū)最小配箍率對應(yīng)的梁組成的框架的極限側(cè)移角.根據(jù)文獻(xiàn)8所給的框架側(cè)移解構(gòu)規(guī)則,檢驗按現(xiàn)行抗震規(guī)范1設(shè)計的結(jié)構(gòu)能否滿足變形能力要求.792西 安 建 筑 科 技 大 學(xué) 學(xué) 報(自然科學(xué)版第39卷4.1 框架結(jié)構(gòu)的側(cè)移解構(gòu)框架的層間位移是各構(gòu)件(梁、柱和節(jié)點核心區(qū)變形的結(jié)果,簡單起見,本文省去節(jié)點核心區(qū)變形對結(jié)構(gòu)整個層間位移的貢獻(xiàn),僅計算框架結(jié)構(gòu)達(dá)到防止倒塌性能水平目標(biāo)側(cè)移曲線時(H *=1/50梁、柱的變形需求.框架節(jié)(代表某層框架的V -L D -G c 關(guān)系8:ln V =0.05L D #(1+G 2c

16、-3.0(G c -1(9式中:V 為塑性變形分布因子,表示柱的塑性變形引起的框架節(jié)側(cè)移D p c 與梁的塑性變形引起的框架節(jié)側(cè)移Dpb 之比;L D 為框架位移延性比;Gc 為強柱系數(shù).根據(jù)不同的抗震等級,現(xiàn)行規(guī)范給出了框架結(jié)構(gòu)的強柱系數(shù),另外,針對一般框架結(jié)構(gòu)的位移延性需求,由公式(9得到V -L D -G c 的關(guān)系曲線(圖3.4.2 框架柱的轉(zhuǎn)動需求與最小轉(zhuǎn)動能力比較RC 構(gòu)件的屈服曲率只與受拉縱筋的屈服應(yīng)變E s 和構(gòu)件截面高度有關(guān)9,因而,構(gòu)件的轉(zhuǎn)動能力取決于塑性轉(zhuǎn)動部分.如果塑性轉(zhuǎn)動能力大于塑性轉(zhuǎn)動需求,即可說明結(jié)構(gòu)滿足變形要求.4.2.1 框架柱塑性轉(zhuǎn)動需求當(dāng)層間側(cè)移角為H *

17、=1/50時,柱子對應(yīng)的最大塑性轉(zhuǎn)角需求為8:H pcd =V 1+V L D -1L D H *=4.5V275(1+V (10取抗震等級分別為一、二、三級(G c =1.4、G c =1.2、Gc =1.1,L D =5.5(此時算得H pcd 最大,得到各抗震等級最大塑性變形因子V ,對不同的V ,由式(10得到不同抗震等級框架柱的最大塑性轉(zhuǎn)角需求:一級,H p cd =1/151=1/151;二級,H p cd =1/118;三級,H pcd =1/106.4.2.2 框架柱塑性轉(zhuǎn)動能力及其與轉(zhuǎn)動需求比較由文獻(xiàn)5-6得柱截面的極限轉(zhuǎn)動能力:H ucc =A cor (K v +0.04

18、/(20#A g n(11式中:H ucc 為柱截面的極限轉(zhuǎn)角;K v 為配箍特征值;n 為軸壓比;A cor 、A g 分別為柱的核心面積和全面積.對工程中常用的H RB335級鋼筋,柱截面曲率延性L c U 、軸壓比n 與配箍特征值K v 之間的關(guān)系為5:K v =0.0355(A g /A cor n L c U -0.04(12取規(guī)范1給出的軸壓比和配箍特征值限值代入式(11進(jìn)行試算,發(fā)現(xiàn)柱截面的極限轉(zhuǎn)動能力隨著軸壓比的增大而減小.取A cor /A g 為較保守的0.8,即可得到由現(xiàn)行規(guī)范設(shè)計的柱的最小極限側(cè)移角H u cc ,由式(12可求得Lc U ,進(jìn)而可得到框架柱的最小極限塑

19、性轉(zhuǎn)角H pcc =H ucc (L c U -1/L c U ,將其與塑性轉(zhuǎn)角需求進(jìn)行對比,如表1.考慮到重力荷載分項系數(shù)(C G =1.2和材料分項系數(shù)(C s =1.1及C c =1.4,將規(guī)范1的設(shè)計軸壓比和配箍特征值轉(zhuǎn)化為標(biāo)準(zhǔn)值.表1 框架柱的最小轉(zhuǎn)動能力與最大轉(zhuǎn)動需求比較T ab.1 Comparison of rotation capacity and rotation deman d for column sA seismic g radenK vA co r /A g H uccL c U H p cc H p cc H pcd10.7/(1.21.4=0.417(0.171

20、.1/1.4=0.1340.81/59.99.41/67.1Y es 20.8/(1.21.4=0.476(0.171.1/1.4=0.1340.81/68.48.21/77.9Y es 30.9/(1.21.4=0.536(0.171.1/1.4=0.1340.81/77.07.31/89.2Y es4.3 框架梁的轉(zhuǎn)動需求與最小轉(zhuǎn)動能力比較4.3.1 框架梁塑性轉(zhuǎn)動需求對于框架梁,其對應(yīng)的最大塑性轉(zhuǎn)角需求為8:H pbd =11+V L D -1L D H *=175(1+V (13根據(jù)式(9關(guān)系,將相應(yīng)的V 、L D 代入上式進(jìn)行試算,可得各抗震等級H pbd 最大值:一級,H pbd

21、=1/101.9(L D =4.7;二級,H p bd =1/125.3(L D =4.6,三級,H pbd =1/142.6(L D =4.5.793第6期 辛 力等:基于性能理論的RC 框架結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計新法4.3.2 框架梁塑性轉(zhuǎn)動能力及其與轉(zhuǎn)動需求比較文獻(xiàn)7給出了鋼筋混凝土框架梁的性能設(shè)計方程,可將其轉(zhuǎn)化為如下形式:H u bc =K v E su +0.004(2.24/DI (N /B (14式中:H u bc 為梁的極限轉(zhuǎn)動量;E su 為約束箍筋極限拉應(yīng)變,取0.127;D I 為結(jié)構(gòu)破損指標(biāo),在防止倒塌性能水平,框架梁取DI =1;N 為無約束梁截面相對受壓區(qū)高度,按規(guī)范要求抗

22、震等級為一級取0.25,二級和三級取0.35;B 為一比例系數(shù),是N 與考慮箍筋約束的梁截面實際相對受壓區(qū)高度NB 的比值,取0187.梁截面曲率延性系數(shù)L b U 、相對受壓區(qū)高度N 、配箍特征值K v 三者之間的關(guān)系為7:K v =1.9(N /B L b U E sy -0.004/E su(15式中:E sy 為縱筋的屈服應(yīng)變,對于工程中常用的H RB335級鋼筋,E sy =0.001675.規(guī)范1沒有給出框架梁箍筋加密區(qū)的最小配箍特征值,但給出了箍筋的最大間距和最小直徑.選工程中一般應(yīng)用的框架梁截面尺寸進(jìn)行試算(箍筋選H PB235級鋼筋,混凝土強度等級取C 40,得到由現(xiàn)行規(guī)范設(shè)

23、計的不同抗震等級梁端最小標(biāo)準(zhǔn)配箍特征值:一級,K v 0.066;二級,K v 0.042;三級,K v 01028.與柱類似,由式(14、式(15可得到框架梁的塑性轉(zhuǎn)動能力,將其與塑性轉(zhuǎn)動需求對比,如表2.表2 框架梁的最小轉(zhuǎn)動能力與最大轉(zhuǎn)動需求比較Tab.2 Comparison of rotation capacity and rotation demand for beamsA seismic g radeNK v H ubcL c U H pbc H p bc H pbd1(0.251.1/1.4=0.1960.0661/29.523.91/30.7Y es 2(0.351.1/1.

24、4=0.2750.0421/54.512.91/57.1Y es 3(0.351.1/1.4=0.2750.0281/67.010.51/74.1Y es圖4 結(jié)構(gòu)設(shè)計方案Fig.4 T he s tructural sch eme4.4 變形能力設(shè)計原則以上分析說明,按照現(xiàn)行抗震規(guī)范1設(shè)計的框架結(jié)構(gòu)均可滿足/三性能目標(biāo)0的變形能力要求,因而設(shè)計過程中無需對結(jié)構(gòu)進(jìn)行專門的變形能力設(shè)計.5 實例分析一榀五層框架(圖4.抗震設(shè)防烈度8度,類場地,設(shè)計地震分組為第二組(T g =0.55s,抗震等級二級,混凝土強度等級為C30.5.1 方案選取(梁、柱截面選擇由經(jīng)驗給出結(jié)構(gòu)的初始設(shè)計方案,然后根據(jù)結(jié)

25、構(gòu)基本自振周期與公式(6計算的等效周期的關(guān)系調(diào)整梁柱截面尺寸,不斷迭代以使得兩者相等.當(dāng)柱截面尺寸為400mm 400mm ;梁截面尺寸為250mm 600mm 時,框架基本自振周期等于式(6的計算結(jié)果:T 1=T eff =0.84s,選此設(shè)計方案進(jìn)行軸壓比驗算,算得底層柱軸壓比最大值n max =0.36,滿足現(xiàn)行規(guī)范n 0.8的要求(上述計算過程由ETABS 程序輔助完成,結(jié)構(gòu)設(shè)計方案如圖4,各層集中質(zhì)量分別為:14層,42.03t;5層38.95t.5.2 設(shè)計地震作用取值文獻(xiàn)2求解結(jié)構(gòu)三性能水平地震需求時,對于位移延性需求的取值(關(guān)系到阻尼比帶有猜測性,顯得不是很合理,本文給出如下解

26、決方法:結(jié)構(gòu)各性能水平的位移延性需求,可由相應(yīng)等效單自由度體系的等效位移與屈服位移之比表示,文獻(xiàn)10通過對比分析,認(rèn)為框架結(jié)構(gòu)的屈服位移取小震作用下結(jié)構(gòu)位移的2.52.7倍較為合理,而小794西 安 建 筑 科 技 大 學(xué) 學(xué) 報(自然科學(xué)版第39卷第6期 辛 力等: 基于性能理論的 RC 框架結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計新法 795 震作用下結(jié)構(gòu)對應(yīng)等效單自由度體系等效位移, 可根據(jù)結(jié)構(gòu)彈性基本自振周期和位移反應(yīng)譜直接求得, 對于由加速度反應(yīng)譜按式( 5 轉(zhuǎn)化所得的位移反應(yīng)譜, 一般框架結(jié)構(gòu)( T g T 1 5T g 有: max uyeff = ( 2. 5 2. 7 T 1 T g A g/ ( 4P

27、 ( 16 式中: uyeff 為等效單自由度體系的屈服位移, 本文取小震作用下結(jié) 構(gòu)位移的 2. 7 倍, 算得 uyeff = 51. 7 1. 1 0. 9 2 mm. 結(jié)構(gòu)某一性能水平的目標(biāo)位移可根據(jù)式( 1 的側(cè)移模式及各性能水平對應(yīng)層間位移角限值求得, 然 后由( 4 可求得相應(yīng)等效單自由度體系在各性能水平的等效位移, 將其除以式( 16 計算結(jié)果, 得到各性 能水平的位移延性需求( 注: 小于 1 時取 1 . 最后根據(jù)直接基于位移的抗震設(shè)計方法計算各性能水平的 地震需求, 結(jié)果為: / 使用良好0性能水平, V d = 203 kN; / 保證人身安全0性能水平, V d =

28、331 kN; / 防止倒 塌0性能水平, V d = 419 kN( T g = 0. 55+ 0. 05= 0. 6 s . 可見/ 防止倒塌0性能水平地震需求最大, 將其除 以超強系數(shù) 1. 625, 得設(shè)計地震作用取值: V b = 419/ 1. 625= 257. 8 kN. 將其按照式( 8 分配到各層, 按現(xiàn) 行規(guī)范 1 進(jìn)行抗震承載力設(shè)計, 并按規(guī)范 1 要求采取必要的構(gòu)造措施. 5. 3 1 靜力彈塑性分析 為便于比較, 用 ET ABS 對上述結(jié) 構(gòu)按規(guī) 范 基底 剪力 法 進(jìn)行 了抗 震 設(shè)計 ( 按 小震 計 算 , 此時基底剪力 V b = 192 kN. 對兩種方

29、法設(shè) 計好的結(jié)構(gòu)進(jìn)行 Pushover 分析, 將記錄到的結(jié) 構(gòu)基底剪力 頂點位移( V-u 曲線和相應(yīng)的需求 曲線在同坐標(biāo)上表達(dá), 如圖 5. 由圖可看 出, 兩 種設(shè)計方法 Pushover 曲線與需求曲線在彈性 階段走向一致, 說明選取的結(jié)構(gòu)設(shè)計方案剛好 滿足剛度要 求, 經(jīng)濟 可靠; 新方法 ( 配 筋量大 Pushover 曲線屈服荷載明顯高于規(guī)范方法, 滿 足性能目標(biāo)要求. 大量計算分析表明, 這種抗震 設(shè)計方法一般均能滿足結(jié)構(gòu)預(yù)期的性能目標(biāo), 驗算. Fig. 5 圖5 靜力彈塑性分析驗證 Perf orman ce evaluat ion b y pu shover anal

30、ysis 與文獻(xiàn) 2 設(shè)計方法比較, 省去了不必要的配筋調(diào)整和迭代計算, 與規(guī)范 1 方法比較, 可省去結(jié)構(gòu)的變形 6 結(jié)語 ( 1 鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)在設(shè)計地震作用下的性態(tài)取決于結(jié)構(gòu)方案和配筋量多少, 本文給出了/ 三水準(zhǔn)0 性能目標(biāo)要求下結(jié)構(gòu)的最大基本自振周期取值, 確定了能夠滿足各性能水平承載力需求的設(shè)計地震作 用取值, 將性能設(shè)計思想融入了現(xiàn)行規(guī)范. ( 2 結(jié)構(gòu)變形能力設(shè)計方法目前還沒有一個統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn), 難以應(yīng)用于實際. 本文用文獻(xiàn) 5 7 的設(shè)計方 法與現(xiàn)行規(guī)范的構(gòu)造要求進(jìn)行對比分析, 發(fā)現(xiàn)按現(xiàn)行規(guī)范設(shè)計的框架結(jié)構(gòu)均能夠滿足/ 三水準(zhǔn)0設(shè)防目 標(biāo)的變形能力需求. ( 3 現(xiàn)行規(guī)范/ 三水

31、準(zhǔn)0設(shè)防目標(biāo)比較單一, 本文所給設(shè)計方法可根據(jù)不同性能目標(biāo)調(diào)整結(jié)構(gòu)層間側(cè) 移角限值, 實現(xiàn)結(jié)構(gòu)設(shè)防目標(biāo)的多樣性. 參考文獻(xiàn) 1 References GB 50011 2001, 建 筑抗震設(shè)計規(guī)范 S . 北京: 中國 建筑工業(yè)出版社, 2001. GB50011 2001, Co de for Seismic Desig n of Building St ructur es S . Beijing: China A r chit ecture and Building P ress, 2001. 2 梁興文, 鄧明科 , 李曉文, 等. 鋼筋混凝土高層建筑結(jié)構(gòu)基于位移的抗震設(shè)計 方法研究

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