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l 設(shè)防目標單一：主要是保證結(jié)構(gòu)安全l 不能有效地控制地震造成的損失1999年 土耳其Izmit M7.4 死1.5亡萬余人，傷2萬余人 1989年 美國Loma Prieta M7.1 傷亡數(shù)百人，經(jīng)濟損失為150億美元1994年 美國Northridge M6.7 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)濟損失達到創(chuàng)紀錄的1000億美元，震后的基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

2、亡2405人，傷11306人，經(jīng)濟損失近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 SeismicDesign)基于性能的抗震設(shè)計理論是20世紀90年代初由美國學者提出，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提出了在用結(jié)構(gòu)基于位移的抗震評估及加固方法，于199

3、7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法(Building

4、 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

5、開始涉及到這方面的研究。國家自然科學基金“九五”重大項目“大型復雜結(jié)構(gòu)體系的關(guān)鍵科學問題和設(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)學報第一期介紹了這方面的研究成果。中國工程建設(shè)標準化協(xié)會標準建筑工程抗震性態(tài)設(shè)計通則（CECS160：2004）目前正在修訂的國家標準建筑抗震設(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、強度和持時等）以及結(jié)構(gòu)抗力的不確定性，對不同風險水平的地

6、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地震風險水平(Hazard Level) -地震設(shè)防水準未來可能作用于場地的地震作用的大小?；蛘哒f，應(yīng)選擇多大強度的地震作為防御的對象。中國抗震設(shè)計規(guī)范GB50011-2001三水準設(shè)防中國地震風險水平美國有關(guān)部門的研究報告FEMA 273、SEAOC Vision 2000美國地震風險水平2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 =1/550 中震可修 中等破壞大震不倒 嚴重破壞 =1/50性能水平的定性描述以及量化指標3性

7、能目標(Performance Objective) 建筑物應(yīng)達到的性能水平。結(jié)構(gòu)的性能目標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)范的目標性能是：小震不壞、中震可修、大震不倒。基本性能目標：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：oFEMA 273考慮了三類目標性能：基本安全目標：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,hSEAOC Vision 2000考慮了三類目標性能：基本目標：1主要/風險目標：2安全臨界目標：3另外，0表示不可接受的目標。ATC 40沒有給出一般

8、的性能目標，而很具建筑結(jié)構(gòu)的重要性和用途等特點，給除了參考目標性能，如普通建筑的目標性能(結(jié)構(gòu)部分)可取表 5所示。表5 ATC 40的性能目標表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(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） l 結(jié)構(gòu)性參數(shù)強度（strength），剛度(stiffness)

9、，延性(ductility) 均與變形有關(guān) 剛度（變形） T F M,N,V 構(gòu)件承載力設(shè)計（強度） 以變形作為設(shè)計變量，最能反映結(jié)構(gòu)的性能。 l 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。l 基于變形（位移）的抗震設(shè)計-以變形（位移）作為設(shè)計變量 （Deformation/Displacement-Based Seismic Desgin DBSD）l 方法分類直接基于位移的抗震設(shè)計方法（Direct Displacement-

10、Based Seismic Desgin） 能力譜法(Capacity Spectrum Method)按延性系數(shù)的設(shè)計方法（Ductility-Based Seismic Desgin）1.3.2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。 l 基本方法x(t)=-&&xwò1tg(t)e-zw(t-t)sinw(t-t)dt2p-z(t-t)Tt2p&g(t)eTSd=ò&xsin(t-t)dt 02pT&g(t) 給定 T,z 計算位移 輸入地震波&x建立具有不同阻尼比z的位移反應(yīng)譜l規(guī)范

11、加速度反應(yīng)譜 位移反應(yīng)譜 Sd=(T2)Sal 根據(jù)層間位移限值確定Di=Dyi+Dpil 取第一振型的振型曲線l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ueff： ui=f1iurueff=åmui=1ni=1n2ii=uråmiuig1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：Meffænö=çåmiui÷effèi=1ø（5）確定結(jié)構(gòu)的等效阻尼比ze。由延性系數(shù)m和結(jié)構(gòu)體系按圖1.2（c）確定。zeff2é(1-a)(m-1)

12、49;=z0+êú zeff=z0+0.2(1-pë1-am+am2ûm) -a)zeff=z0+0.0587(m-1)0.371 zeff=z0+1p(1-1-a（6）根據(jù)等效位移ueff及等效阻尼比ze，由位移反應(yīng)譜確定等效周期Te。（7）確定等效單自由度體系的等效剛度Ke：4p2Ke=2Me （1.5）Te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，ze確定。w=2p2pT=2=wT（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)

13、的設(shè)計基底剪力Vb由下式確定：Vb=Keueff （1.6）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：Fi=miuinåmujj=1Vbj（6）對結(jié)構(gòu)進行剛度設(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)進行非線性靜力分析（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)在一定水準地震作用下預(yù)期的位移

14、計算地震作用，進行結(jié)構(gòu)設(shè)計，以使構(gòu)件達到預(yù)期的變形，結(jié)構(gòu)達到預(yù)期的位移。 （3）設(shè)計者可以控制結(jié)構(gòu)的破壞狀況。q ® Dui=q hi ® ui=ui-1+Dui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3æzöù u(z)=-ç&#

15、247;úê36GAêHèHøúëûmqH2éz如令x=z/H，則上式可改寫為u(x)=f(x)utf(x)=13x-x32()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()=H240(202-103+5) （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達到該截面的屈服曲率y，相應(yīng)的目標側(cè)移曲線為u()=yH240(202-103+5) （6）式中，截面的屈服曲

16、率y可按下式確定10：y=2y/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11shshch-111sh3u()=3H2 2+-3 -+ - - （8） 26ch22 2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，得到相應(yīng)的目標側(cè)移曲線；為框架-剪力墻結(jié)構(gòu)的剛度特征值。 y代入式（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

17、將能力曲線與需求曲線臵于同一坐標中，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(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，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(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，加速度為縱坐標，稱為ADRS(Acceleration Displacement Response Spectrum)格式?！澳芰ψV”和“需求譜”應(yīng)分別稱

18、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。 l 方法1)推覆分析（Pushover Analysis）：在結(jié)構(gòu)上施加靜力荷載，進行Pushover分析，直至結(jié)構(gòu)倒塌或整體剛度矩陣detK£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）。VbSS（a) pushover曲線r（c1) 折減的彈性需求譜SdoSd(d1) 與等效阻尼比有關(guān)的能力譜方法SaSaSa（b) 能力譜Sd（c2）彈塑性需求譜Sdd（d2） 與延性有關(guān)的能力譜方法圖6.1.3 能力譜法2)建立能力曲線。假定

19、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）:Sa=Vbur (6.1.28) ,S=dg1M1*式中：g1,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。可采用兩種方法建立需求曲線：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，則可以按下式將標準的加速度反應(yīng)譜（

20、Sa-T譜）轉(zhuǎn)化為Sa-Sd譜曲線（ADRS格式）：Sd=(T2)Sa （6.1.29） 2p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： Sdp=mRSd=mT2()Sa （6.1.30） R2pSa,Sd分別為單自由度彈性體系的譜加速度和譜位移；Sdp為單自由度非彈性體系的譜位移；m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：R=(m-1)T +1 T£T0 （6.1.31a）T0R=m T³T0 （6.1.31b） T0=0.65mTg£Tg式中，Tg為場地特征周