基于性能的抗震設計理論與方法

基于結構性能的抗震設計理論與方法1.1問題的提出現(xiàn)行標準的抗震設計方法根本原理：基于力的設計方法存在問題設防目標單一：主要是保證結構平安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LomaPrietaM7.1傷亡數(shù)百人，經(jīng)濟損失為150億美元1994年美國NorthridgeM6.7傷亡57人，經(jīng)濟損失為170億美元1995年日本阪神M7.1死亡5500多人，經(jīng)濟損失到達創(chuàng)紀錄的1000億美元，震后的根本恢復重建工作花費2年，耗資近1000億美元；1999年我國臺灣集鎮(zhèn)M7.3死亡2405人，傷11306人，經(jīng)濟損失近100億美元抗震設計新理論根本原理：基于性能的抗震設計理論(PerformanceBasedSeismicDesign)基于性能的抗震設計理論是20世紀90年代初由美國學者提出，按此理論設計的結構在未來的地震災害下能夠維持所要求的性能水平。開展現(xiàn)狀基于性能的抗震設計作為一種更合理的設計理念，代表了未來結構抗震設計的開展方向，引起了各國廣泛的重視。美國美國應用技術委員會ATC-33(1992)率先將基于位移的設計思想引入在用結構的抗震加固；美國聯(lián)邦緊急管理廳資助的國家地震減災工程NEHRP提出了在用結構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)和加州結構工程師協(xié)會1995年公布的SEAOC2000都引入了基于位移的抗震設計方法；美國國際標準委員會(ICC)1997年出版的《國際建筑標準2000(草案)》[IBC2000(Draft)]強調(diào)了與結構位移設計有關的內(nèi)容。2003年美國ICC(InternationalCodeCouncil)發(fā)布了《建筑物及設施的性能標準》日本1995年開始進行了為期3年的“建筑結構的新設計框架開發(fā)〞研究工程，并在研究報告“基于性能的建筑結構設計〞中總結了研究成果。2000年6月實行了新的基于性能的建筑基準法(BuildingStandardLaw)。歐洲1998年歐洲CEB出版《鋼筋混凝土結構控制彈塑性反響的抗震設計：設計概念及標準的新進展》，提出了用基于位移的方法評估在用結構的抗震性能和進行抗震加固設計，將構件塑性鉸區(qū)的曲率轉(zhuǎn)化為對混凝土極限壓應變的要求，以此設計塑性鉸區(qū)的約束箍筋，防止縱筋壓屈并保證混凝土有能力到達要求的極限壓應變。歐洲混凝土協(xié)會(CEB)于2003年出版了“鋼筋混凝土建筑結構基于位移的抗震設計〞報告。澳大利亞那么在基于性能設計的整體框架以及建筑防火性能設計等方面做了許多研究,提出了相應的建筑標準(BCA1996)。中國國家自然科學基金“八五〞重大工程“城市與工程減災根底研究〞的有關專題就開始涉及到這方面的研究。國家自然科學基金“九五〞重大工程“大型復雜結構體系的關鍵科學問題和設計理論〞的一些專題包含了這方面的局部內(nèi)容。中國建筑科學研究院工程抗震研究所聯(lián)合國內(nèi)局部高校和研究所開展了“我國2000年工程抗震設計模式標準〞的研究，并于2000年《建筑結構學報》第一期介紹了這方面的研究成果。中國工程建設標準化協(xié)會標準《建筑工程抗震性態(tài)設計通那么》〔CECS160：2004〕目前正在修訂的國家標準《建筑抗震設計標準》、《混凝土結構設計標準》擬納入基于性能的抗震設計方法。根本概念和理論框架根本概念根據(jù)地震作用的不確定性〔發(fā)生時間、強度和持時等〕以及結構抗力的不確定性，對不同風險水平的地震作用，使結構滿足不同的功能要求。理論框架1．地震風險水平(HazardLevel)-地震設防水準未來可能作用于場地的地震作用的大小?；蛘哒f，應選擇多大強度的地震作為防御的對象。中國抗震設計標準GB50011-2001——三水準設防中國地震風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2~3%2495~1642美國有關部門的研究報告FEMA273、SEAOCVision2000美國地震風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%7250%43偶遇地震20%22550%72稀遇地震10%474474罕遇地震2%247510%9702．性能水平〔PerformanceLevel〕建筑物在特定的某一地震作用下預期破壞的最大程度。我國抗震設計標準GB50011-2001小震不壞根本完好[θ]=1/550中震可修中等破壞大震不倒嚴重破壞[θ]=1/50美國SEAOC關于混凝土框架的性能水平性能水平使用良好使用無害人生平安防止倒塌震害程度根本完好輕微破壞中等破壞嚴重破壞瞬時Δ/h<1/500<1/200<1/67<1/40永久Δ/h——<1/200<1/40性能水平的定性描述以及量化指標3．性能目標(PerformanceObjective)建筑物應到達的性能水平。結構的性能目標是指在一定超越概率的地震發(fā)生時，結構期望的最大破壞程度。我國抗震標準的目標性能是：小震不壞、中震可修、大震不倒。建筑物性能目標地震風險水平性能水平使用良好使用無害人身平安防止倒塌常遇地震aooo偶遇地震eboo稀遇地震hfco罕遇地震igd根本性能目標：a，b，c，d重要性能目標：e，f，g特別性能目標：h，i不可接受：o表3FEMA273的性能目標地震風險性能水平正常使用立即入住生命平安防止倒塌50%/50年abcd20%/50年efgh10%/50年ijkl2%/50年mnopFEMA273考慮了三類目標性能：根本平安目標：k+p加強目標：k+p+(a,e,i,m)或(b,f,j,n)的任一個，有限目標：k,p,c,d,g,h表4SEAOCVision2000的性能目標地震風險性能水平完全正常使用正常使用生命平安接近倒塌50%/30年100050%/50年210010%/50年321010%/100年321SEAOCVision2000考慮了三類目標性能：根本目標：1主要/風險目標：2平安臨界目標：3另外，0表示不可接受的目標。ATC40沒有給出一般的性能目標，而很具建筑結構的重要性和用途等特點，給除了參考目標性能，如普通建筑的目標性能(結構局部)可取表5所示。表5 ATC40的性能目標地震風險結構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年破壞控制生命平安生命平安立即入住5%/50年結構穩(wěn)定生命平安表6日本研究報告的性能目標地震風險性能水平正常使用易修復生命平安EaAEbABEcABCEdBCEeC表6中，地震作用從Ea到Ee，其強度依次減小，Ed和Ee相當于中等烈度的地震，Ec相當于高烈度地震。根據(jù)實際情況，可以采用不同的目標性能，如AAA、AAB、ABC、BBA、BBB、BBC、CCA、CCB、CCC，其中，目標性能CCC為設計標準規(guī)定的最低性能水平。1.3基于變形〔位移〕的抗震設計理論與方法問題的提出基于性能的抗震設計→如何具體操作〔如何實現(xiàn)，通過何種途徑〕結構性參數(shù)強度〔strength〕，剛度(stiffness)，延性(ductility)→均與變形有關剛度〔變形〕→→→→構件承載力設計〔強度〕以變形作為設計變量，最能反映結構的性能。結構的破壞程度結構構件和非結構構件：用層間位移控制破壞程度約束混凝土構件：用混凝土極限壓應變控制受壓破壞RC構件屈服后的抗剪強度：與構件的彈塑性變形有很大關系結構的破壞程度與變形的關系比受力的關系更為密切?；谧冃巍参灰啤车目拐鹪O計--以變形〔位移〕作為設計變量〔Deformation/Displacement-BasedSeismicDesginDBSD〕方法分類直接基于位移的抗震設計方法〔DirectDisplacement-BasedSeismicDesgin〕能力譜法(CapacitySpectrumMethod)按延性系數(shù)的設計方法〔Ductility-BasedSeismicDesgin〕直接基于位移的抗震設計方法直接基于位移的方法步驟如下：〔1〕建立位移反響譜。根本方法輸入地震波→給定→計算位移→建立具有不同阻尼比的位移反響譜標準加速度反響譜→位移反響譜〔2〕選擇一個初始位移形狀〔一開始，就將位移作為設計變量〕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〔3〕計算等效單自由度體系的目標位移：圖1.2直接基于位移的抗震設計根本思路〔4〕確定等效單自由度體系的等效質(zhì)量：〔5〕確定結構的等效阻尼比。由延性系數(shù)和結構體系按圖1.2〔c〕確定?！?〕根據(jù)等效位移及等效阻尼比，由位移反響譜確定等效周期?！?〕確定等效單自由度體系的等效剛度：〔1.5〕式中，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，確定。〔5〕計算設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〕〕，即原結構的設計基底剪力Vb由下式確定：〔1.6〕水平地震力沿原結構高度的分布〔圖1.2〔a〕〕可以用下式計算：〔6〕對結構進行剛度設計和承載力設計。計算重力荷載效應及水平地震作用效應，內(nèi)力組合，截面配筋計算?！?〕對結構進行非線性靜力分析〔PushoverAnalysis〕，校核結構的側(cè)移形狀與預先假定的是否一致；評價結構的變形及承載力是否滿足要求。〔8〕如果結構的側(cè)移形狀與預先假定的不一致，或者結構的變形及承載力不滿足要求，那么應修改剛度分布和承載力。特點：〔1〕設計一開始，即以位移作為設計變量?！?〕根據(jù)在一定水準地震作用下預期的位移計算地震作用，進行結構設計，以使構件到達預期的變形，結構到達預期的位移?！?〕設計者可以控制結構的破壞狀況。結構的側(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計方法實際上僅考慮了結構第1振型，因而適用于中低層建筑結構的抗震設計，而對于高振型影響較大的高層及復雜結構會產(chǎn)生較大的誤差。附注：取某種荷載作用下的側(cè)移曲線框架結構假定水平地震作用為倒三角形分布，那么等截面剪切懸臂桿〔圖1〕在任意高度處的側(cè)移可表示為如令，那么上式可改寫為剪力墻結構：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〕，任意高度處的側(cè)移為〔5〕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到達該截面的屈服曲率，相應的目標側(cè)移曲線為〔6〕式中，截面的屈服曲率可按下式確定[10]：〔7〕其中，為配置在剪力墻截面兩端的縱向受力鋼筋的屈服應變；為剪力墻截面高度?？蚣?剪力墻結構：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〕，任意高度處的側(cè)移為〔8〕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，可用該截面的屈服曲率代入式〔8〕，得到相應的目標側(cè)移曲線；為框架-剪力墻結構的剛度特征值。能力譜法1．抗震性能評估2．抗震設計初步設計結構→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→判別結構是否滿足要求能力譜法(CapacitySpectrumMethod)根本思想: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響譜轉(zhuǎn)化為需求譜曲線，把兩條曲線繪在同一圖上，兩條曲線的交點為“目標位移點〞，亦稱“性能點〞。地震需求：結構在地震作用下的反響〔加速度、位移、內(nèi)力等〕該圖以位移為橫坐標，加速度為縱坐標，稱為ADRS(AccelerationDisplacementResponseSpectrum)格式。“能力譜〞和“需求譜〞應分別稱之為“能力曲線(capacitycurve)〞和“需求曲線(demandcurve)〞。建立能力曲線和需求曲線是能力譜法的關鍵。方法1)推覆分析〔PushoverAnalysis〕：在結構上施加靜力荷載，進行Pushover分析，直至結構倒塌或整體剛度矩陣det，可以得到結構的基底剪力-頂點位移曲線[圖〔a〕]。圖能力譜法2)建立能力曲線。假定結構的地震反響以第一振型為主，且在整個地震反響過程中結構沿高度的側(cè)移可以用一個不變的形狀向量表示，這樣就可以將原結構等效為一個單自由度體系，而-曲線也相應地按下式逐點轉(zhuǎn)化為等效自由度體系的譜加速度-譜位移曲線〔ADRS格式〕[圖〔b〕]:圖能力譜法(68)式中：分別為結構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正那么化。3〕建立需求曲線。可采用兩種方法建立需求曲線：一是將標準的加速度反響譜轉(zhuǎn)化為需求曲線，二是采用地面運動加速度時程作為結構的輸入直接建立需求曲線。如采用前者，那么可以按下式將標準的加速度反響譜〔譜〕轉(zhuǎn)化為譜曲線〔ADRS格式〕