結(jié)構(gòu)抗震的分析與設(shè)計(jì)方法簡(jiǎn)介20090407

結(jié)構(gòu)抗震的分析與設(shè)計(jì)方法簡(jiǎn)介黃吉鋒中國(guó)建筑科學(xué)研究院1.結(jié)構(gòu)抗震分析方法結(jié)構(gòu)抗震分析的目的抗震分析的兩個(gè)任務(wù)確定地震作用計(jì)算結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)從1900年左右至今的100多年，已發(fā)展出多種針對(duì)地震作用的分析方法靜力理論靜力法創(chuàng)始于意大利，發(fā)展于日本1900年左右，大森房吉、佐野利器、物部長(zhǎng)穗、末廣恭二對(duì)該理論發(fā)展作出重要貢獻(xiàn)靜力理論靜力理論認(rèn)為結(jié)構(gòu)物所受到的最大基底剪力等于剛性結(jié)構(gòu)物所受到的最大慣性力：靜力理論佐野利器根據(jù)1906年舊金山地震的現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，認(rèn)為剛性大的結(jié)構(gòu)物可以取震度k=0.1,該觀點(diǎn)在1923年關(guān)東大地震后，1924年被日本城市建筑法規(guī)采納。k取0.1與結(jié)構(gòu)特性無關(guān)不變的k意味著對(duì)于結(jié)構(gòu)特性不同的房屋采用了不同的安全性標(biāo)準(zhǔn)。對(duì)相對(duì)高、柔的結(jié)構(gòu)偏嚴(yán)；對(duì)相對(duì)矮、剛的結(jié)構(gòu)偏松。靜力法是較為粗燥的方法反應(yīng)譜理論1920年日本學(xué)者對(duì)結(jié)構(gòu)物在簡(jiǎn)諧激勵(lì)下的地震反應(yīng)進(jìn)行了研究，但由于對(duì)地震動(dòng)特性缺乏定量的了解，雖有進(jìn)展，仍未使地震反應(yīng)分析脫離靜力階段。1933年美國(guó)長(zhǎng)灘地震，取得了第一個(gè)強(qiáng)震加速度記錄；1940年美國(guó)在ELcentro地震又取得重要強(qiáng)震記錄。20世紀(jì)40年代，在實(shí)際強(qiáng)震記錄和結(jié)構(gòu)自振特性資料的基礎(chǔ)上，美國(guó)學(xué)者比奧特(Biot)、貝尼奧夫(Bennioff)、豪斯納(Housner)等人提出了反應(yīng)譜的概念。反應(yīng)譜理論反應(yīng)譜理論考慮了結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性與地震動(dòng)特性之間的關(guān)系，同時(shí)保持了靜力理論的形式，它將結(jié)構(gòu)物所受到的最大基底剪力寫為：反應(yīng)譜理論反應(yīng)譜概念經(jīng)過發(fā)展，形成近代反應(yīng)譜理論，其要素為：結(jié)構(gòu)物可以簡(jiǎn)化為多自由度體系；多自由度體系的地震反應(yīng)可以按振型分解為多個(gè)單自由度體系反應(yīng)的組合；每個(gè)單自由度體系的最大反應(yīng)可以從反應(yīng)譜求得利用隨機(jī)過程理論處理各振型間的組合振型分解意味著反應(yīng)譜理論處理的對(duì)象是線彈性結(jié)構(gòu)反應(yīng)譜理論設(shè)計(jì)譜反應(yīng)譜的一般概念是針對(duì)特定的地震記錄的在抗震設(shè)計(jì)中，現(xiàn)在普遍采用設(shè)計(jì)譜的概念。抗規(guī)的地震影響系數(shù)曲線就是一種加速度設(shè)計(jì)譜。設(shè)計(jì)譜是以大量地震動(dòng)記錄的反應(yīng)譜特性為依據(jù),經(jīng)統(tǒng)計(jì)和平滑化處理確定的，具有一定的包絡(luò)概率。1959年GWHousner給出了世界上第一條設(shè)計(jì)譜。

設(shè)計(jì)譜包含了大量的地震動(dòng)信息，是抗震設(shè)計(jì)的較為可靠的工具，比較而言，一次時(shí)程分析，只能體現(xiàn)一條特定的地震紀(jì)錄特性，必須多波(比如7條以上)分析，設(shè)計(jì)意義才比較明確。反應(yīng)譜理論TAT,SATWE,PMSAP均具有水平地震反應(yīng)譜分析的功能PMSAP還新增了豎向地震反應(yīng)譜分析的功能，并可考慮其內(nèi)力組合，用于設(shè)計(jì)。大跨結(jié)構(gòu)、長(zhǎng)懸臂結(jié)構(gòu)，可能存在豎向的二次共振，宜用反應(yīng)譜分析考慮豎向地震效應(yīng)；規(guī)范方法（底部軸力法、直接地震作用系數(shù)法）則可能偏小很多（比如可偏小1到2倍），此處設(shè)計(jì)人員要特別予以重視。隨機(jī)振動(dòng)理論認(rèn)為地震動(dòng)和結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)都是隨機(jī)現(xiàn)象，只能求得其統(tǒng)計(jì)特征，只能求得結(jié)構(gòu)在概率意義上的最大反應(yīng)。根據(jù)這一概念，較好地處理了反應(yīng)譜分析方法中的振型組合問題，并使得抗震設(shè)計(jì)從安全系數(shù)法過渡到概率理論的分項(xiàng)系數(shù)法。目前在工程中的直接應(yīng)用尚未普及動(dòng)力彈性時(shí)程分析根據(jù)地震加速度記錄，直接積分彈性動(dòng)力方程，得到結(jié)構(gòu)反應(yīng)的位移、速度和加速度歷程由于地震動(dòng)的隨機(jī)性，需要足夠多的地震波分析結(jié)果的平均值，才能保證其統(tǒng)計(jì)意義。目前的設(shè)計(jì)軟件可以做單向分析，也可以做主向、次向加豎向的三向分析。PKPM的TAT,SATWE,PMSAP均配有三分量地震波庫。PMSAP中可以考慮豎向分量，并可把彈性時(shí)程的最不利時(shí)刻的結(jié)果或用戶指定時(shí)刻的結(jié)果考慮進(jìn)內(nèi)力組合，用于設(shè)計(jì)。靜力彈塑性Pushover方法，

能力譜方法能力譜方法最早由Freeman于1975年提出，后經(jīng)發(fā)展被美國(guó)ATC40等推薦使用是一種將靜力彈塑性分析與彈性反應(yīng)譜理論相結(jié)合、用于計(jì)算非線性結(jié)構(gòu)在地震作用下的動(dòng)力反應(yīng)最大值的方法使用方便，計(jì)算效率高假定結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)以第一振型為主，對(duì)于高振型效應(yīng)明顯的超高層結(jié)構(gòu)存在誤差。誤差到底會(huì)有多大，值得進(jìn)一步研究、論證。靜力彈塑性Pushover方法，

能力譜方法能力譜方法的基本步驟：通過給定的側(cè)向荷載形式，以擬靜力的方式逐步施加到結(jié)構(gòu)上，得到一系列的結(jié)構(gòu)反應(yīng)，形成一個(gè)反應(yīng)序列，這些反應(yīng)，稱為結(jié)構(gòu)的能力(Capacity)。在反應(yīng)序列的每一點(diǎn)p上，構(gòu)造等效單自由度體系，確定等效周期和等效阻尼，從而根據(jù)彈性反應(yīng)譜，求得結(jié)構(gòu)在p點(diǎn)、在地震作用下的最大反應(yīng)，這個(gè)最大反應(yīng)稱作結(jié)構(gòu)在p點(diǎn)的需求(Demand)。若在某點(diǎn)p處，結(jié)構(gòu)的能力與需求相等，則該點(diǎn)就是結(jié)構(gòu)在地震作用下的解，稱為性能點(diǎn)。該點(diǎn)的位移稱為目標(biāo)位移。靜力彈塑性Pushover方法，

能力譜方法Pushover方法的關(guān)鍵問題側(cè)向荷載的分布形式高階振型效應(yīng)的考慮Pushover方法的另外一些形式適應(yīng)譜pushover法（AdaptiveSpectra-basedPushoverProcedure）：每一加載步的荷載增量都基于結(jié)構(gòu)當(dāng)前的動(dòng)力特性振型pshover法(ModalPushoverAnalysisProcedure,Chopra,2002)：利用各個(gè)振型的慣性力，依次做pushover，得到地震反應(yīng)，最后組合之靜力彈塑性Pushover方法，

能力譜方法PKPM的PUSH軟件，是一個(gè)專業(yè)的Pushover分析軟件，采用了能力譜方法確定結(jié)構(gòu)的性能點(diǎn)。PUSH采用纖維素模型的梁柱單元和基于正交各向異性(DARWIN-PECKNOLD)砼本構(gòu)關(guān)系的微觀模型墻元，采用弧長(zhǎng)法追蹤結(jié)構(gòu)反應(yīng)，配備VSS,PCG,波前法三種快速求解器，可以考慮樓板的承載力貢獻(xiàn)，可考慮箍筋的約束性能，可進(jìn)行自動(dòng)網(wǎng)格細(xì)分。已經(jīng)在數(shù)百個(gè)復(fù)雜工程中應(yīng)用，直接接力SATWE和PMSAP。動(dòng)力彈塑性時(shí)程分析根據(jù)地震加速度記錄，直接積分彈塑性動(dòng)力方程，得到結(jié)構(gòu)反應(yīng)的位移、速度和加速度歷程由于地震動(dòng)的隨機(jī)性，需要足夠多的地震波分析結(jié)果的平均值，才能保證其統(tǒng)計(jì)意義。鋼筋砼構(gòu)件的一維、特別是高維滯徊本構(gòu)關(guān)系，值得進(jìn)一步深入研究。隱式和顯式求解方法，計(jì)算效率問題動(dòng)力彈塑性時(shí)程分析PKPM的EPDA軟件，是一個(gè)專業(yè)的動(dòng)力彈塑性分析軟件。EPDA采用纖維素模型的梁柱單元和基于正交各向異性(DARWIN-PECKNOLD)砼本構(gòu)關(guān)系的微觀模型墻元，配備PCG快速求解器，可以考慮樓板的承載力貢獻(xiàn)，配有三向地震波庫。已經(jīng)在數(shù)百個(gè)復(fù)雜工程中應(yīng)用，直接接力SATWE和PMSAP。地震反應(yīng)分析方法小結(jié)基于CQC組合的彈性反應(yīng)譜方法是目前抗震設(shè)計(jì)的主要工具。彈性時(shí)程分析是超限結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)的必要補(bǔ)充彈塑性靜力pushover分析方法和彈塑性動(dòng)力時(shí)程分析方法，是大震下結(jié)構(gòu)變形驗(yàn)算的主要手段。2.結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)方法早期抗震設(shè)計(jì)方法地震力的確定依據(jù)靜力理論，一般取建筑物重量的10%進(jìn)行設(shè)計(jì)（日本,佐野利器,1915）假定地震力與結(jié)構(gòu)特性和地基情況無關(guān)假定房屋抗震能力僅與結(jié)構(gòu)承載力有關(guān)（未考慮結(jié)構(gòu)的延性、耗能等概念）采用安全系數(shù)，進(jìn)行容許應(yīng)力水準(zhǔn)上的彈性設(shè)計(jì)反應(yīng)譜理論及結(jié)構(gòu)能力設(shè)計(jì)(CapacityDesign)我國(guó)及多數(shù)國(guó)家的抗震規(guī)范都采用了反應(yīng)譜理論及結(jié)構(gòu)的能力設(shè)計(jì)原則，其主要特點(diǎn)為：用規(guī)范規(guī)定的設(shè)計(jì)反應(yīng)譜進(jìn)行結(jié)構(gòu)線彈性分析北美和歐洲國(guó)家的設(shè)計(jì)譜，是通過50年超越概率10%的彈性反應(yīng)譜除以一個(gè)”延性降低系數(shù)R”或”性能系數(shù)q”得出。中國(guó)78抗規(guī)的設(shè)計(jì)譜，是通過50年超越概率10%的彈性反應(yīng)譜乘以一個(gè)小于1的結(jié)構(gòu)影響系數(shù)C得出，與歐美本質(zhì)相同。中國(guó)的89及01抗規(guī)，設(shè)計(jì)譜直接采用50年超越概率63%的彈性反應(yīng)譜（多遇地震，小震）反應(yīng)譜理論及結(jié)構(gòu)能力設(shè)計(jì)(CapacityDesign)結(jié)構(gòu)構(gòu)件的承載力設(shè)計(jì)，考慮由彈性反應(yīng)譜地震作用與恒、活、風(fēng)等荷載引起的內(nèi)力的組合?？紤]合理的結(jié)構(gòu)屈服機(jī)制及非彈性變形的需要，按照相應(yīng)的不同的延性要求（抗震等級(jí)），采取不同的抗震措施，包括強(qiáng)柱弱梁、強(qiáng)剪弱彎等內(nèi)力調(diào)整及抗震構(gòu)造要求，這些措施是能力設(shè)計(jì)原理的重要內(nèi)容，也是設(shè)計(jì)反應(yīng)譜可以比彈性譜降低的主要依據(jù)之一。概念設(shè)計(jì)（ConceptualDesign）要求：方案設(shè)計(jì)階段，結(jié)構(gòu)體系、結(jié)構(gòu)體型的規(guī)則性、結(jié)構(gòu)的整體性滿足規(guī)范的規(guī)定，以使結(jié)構(gòu)能可靠地發(fā)揮非彈性延性變形能力。反應(yīng)譜理論及結(jié)構(gòu)能力設(shè)計(jì)(CapacityDesign)二道防線設(shè)計(jì)

實(shí)質(zhì)可以理解為延性控制構(gòu)件延性指標(biāo)：軸壓比剪壓比剪跨比跨高比反應(yīng)譜理論及結(jié)構(gòu)能力設(shè)計(jì)

—抗震設(shè)計(jì)極限狀態(tài)(三水準(zhǔn))使用極限狀態(tài)結(jié)構(gòu)無損壞，不需修理；或者輕微損傷，只需稍加修理。構(gòu)件基本處于彈性工作狀態(tài)。與使用極限狀態(tài)對(duì)應(yīng)的地震作用，多數(shù)建筑可選擇50年超越概率63%的小震(小震不壞水準(zhǔn))；對(duì)甲類建筑及緊急狀態(tài)下需要保持其功能的建筑，可選擇50年超越概率10%的中震。反應(yīng)譜理論及結(jié)構(gòu)能力設(shè)計(jì)

—抗震設(shè)計(jì)極限狀態(tài)(三水準(zhǔn))損傷控制極限狀態(tài)建筑物發(fā)生較多破壞，但結(jié)構(gòu)和非結(jié)構(gòu)構(gòu)件尚能經(jīng)濟(jì)地修復(fù)；越過此界限，不能再修復(fù)或經(jīng)濟(jì)地修復(fù)。與損傷控制極限狀態(tài)對(duì)應(yīng)的地震作用，多數(shù)建筑可選擇50年超越概率10%的中震(中震可修水準(zhǔn))；反應(yīng)譜理論及結(jié)構(gòu)能力設(shè)計(jì)

—抗震設(shè)計(jì)極限狀態(tài)(三水準(zhǔn))幸存極限狀態(tài)建筑物發(fā)生大量破壞，不能修復(fù)或不能經(jīng)濟(jì)地修復(fù)；但結(jié)構(gòu)不倒塌。與幸存控制極限狀態(tài)對(duì)應(yīng)的地震作用，多數(shù)建筑可選擇50年超越概率2-3%的大震(大震不倒水準(zhǔn))；反應(yīng)譜理論及結(jié)構(gòu)能力設(shè)計(jì)

—結(jié)構(gòu)反應(yīng)的延性水準(zhǔn)(抗震等級(jí))彈性反應(yīng)結(jié)構(gòu)（比如延性比<1.5）延性反應(yīng)結(jié)構(gòu)有限延性的結(jié)構(gòu)（比如延性比=3.5）充分發(fā)揮延性的結(jié)構(gòu)（比如延性比=8.0）根據(jù)結(jié)構(gòu)耗散地震能量的基本原理，承載力和延性這兩個(gè)指標(biāo)充分刻畫了結(jié)構(gòu)的抗震性能。承載力較高的結(jié)構(gòu)，對(duì)其延性變形能力的要求可有所降低；若結(jié)構(gòu)承載力較低，則需要較高的延性變形能力。反應(yīng)譜理論及結(jié)構(gòu)能力設(shè)計(jì)

—結(jié)構(gòu)反應(yīng)的延性水準(zhǔn)(抗震等級(jí))AA1BB1CC1結(jié)構(gòu)抗力S結(jié)構(gòu)位移Du=1.0理想彈性反應(yīng)u=1.5基本處于彈性反應(yīng)狀態(tài)u=3.5有限的延性反應(yīng)u=8.0充分的延性反應(yīng)O反應(yīng)譜理論及結(jié)構(gòu)能力設(shè)計(jì)

—結(jié)構(gòu)反應(yīng)的延性水準(zhǔn)(抗震等級(jí))我國(guó)規(guī)范、規(guī)程按照不同的設(shè)防烈度、房屋高度和結(jié)構(gòu)體系規(guī)定了不同的抗震等級(jí)，其實(shí)質(zhì)就是從宏觀上控制不同結(jié)構(gòu)的延性要求。不同的抗震等級(jí)對(duì)應(yīng)著不同的內(nèi)力調(diào)整系數(shù)和抗震構(gòu)造措施抗震等級(jí)為特1級(jí),1,2,3級(jí)的結(jié)構(gòu)，屬于有限延性的結(jié)構(gòu)抗震等級(jí)為4級(jí)的結(jié)構(gòu)屬于基本彈性的結(jié)構(gòu)反應(yīng)譜理論及結(jié)構(gòu)能力設(shè)計(jì)

—概念設(shè)計(jì)準(zhǔn)則(結(jié)構(gòu)體系的抗震性能)框架結(jié)構(gòu)美國(guó)、新西蘭等國(guó)家認(rèn)為，經(jīng)過專門設(shè)計(jì)、施工的延性抗力矩框架具有較好的抗震性能震害表明，柔性底層框架、豎向剛度或承載力突變的框架、平面形狀不規(guī)則的框架、構(gòu)造措施達(dá)不到延性要求的框架、施工質(zhì)量達(dá)不到要求的框架，破壞嚴(yán)重。我國(guó)抗規(guī)未強(qiáng)調(diào)設(shè)計(jì)特殊的延性抗力矩框架，對(duì)框架適用高度作了偏嚴(yán)的規(guī)定。反應(yīng)譜理論及結(jié)構(gòu)能力設(shè)計(jì)

—概念設(shè)計(jì)準(zhǔn)則(結(jié)構(gòu)體系的抗震性能)框剪結(jié)構(gòu)抗震性能良好，明顯優(yōu)于框架平面布置需合理，避免嚴(yán)重的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)反應(yīng)譜理論及結(jié)構(gòu)能力設(shè)計(jì)

—概念設(shè)計(jì)準(zhǔn)則(結(jié)構(gòu)體系的抗震性能)剪力墻結(jié)構(gòu)；框架核心筒、筒中筒結(jié)構(gòu)抗震性能良好抗倒塌能力良好適宜建造高層建筑反應(yīng)譜理論及結(jié)構(gòu)能力設(shè)計(jì)

—概念設(shè)計(jì)準(zhǔn)則(結(jié)構(gòu)體系的抗震性能)板柱體系和板柱剪力墻結(jié)構(gòu)體系板柱體系抗震不利，我國(guó)規(guī)范規(guī)程未將其列入抗震結(jié)構(gòu)體系中板柱剪力墻體系抗震性能明顯優(yōu)于板柱體系，可作為抗震體系，但對(duì)適用高度有較嚴(yán)的限制。反應(yīng)譜理論及結(jié)構(gòu)能力設(shè)計(jì)

—概念設(shè)計(jì)準(zhǔn)則(結(jié)構(gòu)體系的抗震性能)復(fù)雜高層建筑：屬不規(guī)則或者特別不規(guī)則結(jié)構(gòu)，需要精細(xì)方案設(shè)計(jì)并采取專門措施。9度設(shè)計(jì)不采用帶轉(zhuǎn)換層、加強(qiáng)層、錯(cuò)層和連體的結(jié)構(gòu)。7度8度設(shè)計(jì)不宜采用超過兩種的復(fù)雜結(jié)構(gòu)。錯(cuò)層結(jié)構(gòu)的適用高度宜嚴(yán)格限制B級(jí)高度建筑不宜采用連體結(jié)構(gòu)，以防塌落。B級(jí)高度底部帶轉(zhuǎn)換層的筒中筒結(jié)構(gòu)，當(dāng)外筒采用由剪力墻構(gòu)成的壁式框架時(shí)，最大適用高度應(yīng)適當(dāng)降低反應(yīng)譜理論及結(jié)構(gòu)能力設(shè)計(jì)

—概念設(shè)計(jì)準(zhǔn)則(不規(guī)則性控制)平面布置規(guī)則性、樓板開洞扭轉(zhuǎn)控制，周期比，位移比立面布置規(guī)則性控制，避免過大的外挑內(nèi)收樓層剛度比控制樓層承載力比控制豎向抗側(cè)力構(gòu)件的連續(xù)性控制基于性能的抗震設(shè)計(jì)

(Performance-basedDesign)ATC40(1996),FEMA237(1997)提出在既有建筑的評(píng)定和加固中使用多重性能目標(biāo)的建議美國(guó)加州結(jié)構(gòu)工程師協(xié)會(huì)SEAOC(StructuralEngineersAssociationofCalifornia)1995年提出了新建房屋基于性能的抗震設(shè)計(jì)2003年美國(guó)ICC(InternationalCodeCouncil)發(fā)布了《建筑物及設(shè)施的性能規(guī)范》日本、歐洲相繼將抗震性能設(shè)計(jì)的思想列入設(shè)計(jì)和加固標(biāo)準(zhǔn)中基于性能的抗震設(shè)計(jì)

(Performance-basedDesign)方法特點(diǎn)抗震設(shè)計(jì)從宏觀定性目標(biāo)向具體量化的多重目標(biāo)過渡業(yè)主可選擇所需的結(jié)構(gòu)性能目標(biāo)抗震設(shè)計(jì)強(qiáng)調(diào)根據(jù)性能目標(biāo)進(jìn)行深入分析和論證，利于結(jié)構(gòu)創(chuàng)新。可以采用現(xiàn)行規(guī)范中未規(guī)定的新結(jié)構(gòu)體系、新材料和新