抗震設(shè)計(jì)方法的發(fā)展

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上 建筑工程學(xué)院20132014 學(xué)年 第二 學(xué)期研究生課程讀書(shū)報(bào)告 題 目： 抗震設(shè)計(jì)方法的發(fā)展 考 核 科 目： 高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析 所 在 院 系： 建筑工程學(xué)院 專 業(yè)： 結(jié)構(gòu)工程 姓 名： 劉繼龍 學(xué) 號(hào)： 目錄抗震設(shè)計(jì)方法的發(fā)展摘要：介紹了抗震設(shè)計(jì)概念的發(fā)展過(guò)程，分析了近100年來(lái)提出的五種主要抗震設(shè)計(jì)方法的優(yōu)缺點(diǎn)，并重點(diǎn)論述了基于性能的抗震設(shè)計(jì)方法，以促進(jìn)結(jié)構(gòu)抗震性能的研究，更好地做好結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。Abstract：It introdueces the development of aseismatic design,analyzes advantages

2、 and disadvantages of five aseismatic design methods of recent one hundred years,puts great emphasis on the designing method based on performance in order to promote the research of structural anti-quake capability and make better job of structure design.Key words: aseismatic design,structural compo

3、nent,ductile index1 引言對(duì)應(yīng)于地震動(dòng)和結(jié)構(gòu)反應(yīng)分析研究的發(fā)展，人們的抗震設(shè)計(jì)概念經(jīng)歷了基于承載力基于延性+承載力基于性能的過(guò)程。這個(gè)過(guò)程從以結(jié)構(gòu)承載力分析為主，發(fā)展到兼顧承載力和結(jié)構(gòu)變形，再到全面分析結(jié)構(gòu)的承載力、變形、損傷和耗能。這些設(shè)計(jì)方法在實(shí)際結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)當(dāng)中常常融合在一起，下面按照他們側(cè)重點(diǎn)的不同分類，雖有偏頗，但能體現(xiàn)出隨著科技水平的發(fā)展，人們對(duì)于結(jié)構(gòu)抗震性能的認(rèn)識(shí)水平和要求的逐步提高。在100多年的發(fā)展過(guò)程中，大致提出了以下幾種主要抗震設(shè)計(jì)方法。2 基于承載力的抗震設(shè)計(jì)方法20世紀(jì)70年代以前的抗震設(shè)計(jì)采用基于承載力的抗震設(shè)計(jì)方法，地震分析屬于等效靜力分析階段，以

4、結(jié)構(gòu)構(gòu)件的強(qiáng)度或剛度是否達(dá)到特定的極限狀態(tài)作為結(jié)構(gòu)是否失效的準(zhǔn)則?；诔休d力的抗震設(shè)計(jì)方法建立在靜力分析理論之上。靜力法和早期的反應(yīng)譜法都是以慣性力的形式來(lái)反映地震作用，并按彈性方法來(lái)計(jì)算結(jié)構(gòu)地震作用效應(yīng)。該方法的缺點(diǎn)在于無(wú)法準(zhǔn)確描述結(jié)構(gòu)進(jìn)入彈塑性階段的表現(xiàn)，對(duì)結(jié)構(gòu)在地震作用下的破壞程度控制不夠。3 基于延性的抗震設(shè)計(jì)方法20世紀(jì)60年代，人們認(rèn)識(shí)到對(duì)于一般的房屋結(jié)構(gòu)、土體結(jié)構(gòu)以及地基等，需要利用結(jié)構(gòu)體系的非線性變形來(lái)充分考慮結(jié)構(gòu)物的抗震性能。1973年1976年，紐馬克和霍爾總結(jié)當(dāng)時(shí)的經(jīng)驗(yàn)，提出了用延性概念來(lái)概括結(jié)構(gòu)超過(guò)彈性結(jié)構(gòu)時(shí)的抗震能力。他們認(rèn)為在抗震設(shè)計(jì)中除了重視強(qiáng)度和剛度外，還必須重

5、視加強(qiáng)延性；并提出了延性系數(shù)將彈性反應(yīng)譜修改成彈塑性反應(yīng)譜的方法，并建議用于實(shí)際結(jié)構(gòu)的抗震計(jì)算。1979年，他們計(jì)算了10個(gè)地震動(dòng)作用下的非線性反應(yīng)譜，從而歸納出確定非線性反應(yīng)譜原則、方法和數(shù)據(jù)，以及相應(yīng)的機(jī)構(gòu)地震反應(yīng)分析方法。非線性的大小用延性系數(shù)來(lái)表示和分別為所考慮的整體結(jié)構(gòu)或部分結(jié)構(gòu)的最大容許變形和此變形的彈性極限值。強(qiáng)調(diào)結(jié)構(gòu)延性對(duì)抗震的有利作用，強(qiáng)調(diào)結(jié)構(gòu)變形反應(yīng)，并且把它簡(jiǎn)化為可以在設(shè)計(jì)中采用的簡(jiǎn)單形式。實(shí)際上，由于計(jì)算結(jié)構(gòu)非彈性地震反應(yīng)的困難，在結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)中，小震情況下按彈性反應(yīng)譜計(jì)算的結(jié)果設(shè)計(jì)構(gòu)件，然后根據(jù)震害經(jīng)驗(yàn)，采取構(gòu)造措施來(lái)保證結(jié)構(gòu)進(jìn)入非彈性階段的變形能力，以適應(yīng)結(jié)構(gòu)非彈

6、性地震反應(yīng)的需求。這是目前各國(guó)使用的主要方法。4 基于位移的抗震設(shè)計(jì)方法基于位移的抗震設(shè)計(jì)是指在一定水準(zhǔn)的地震作用下，以結(jié)構(gòu)的位移響應(yīng)為目標(biāo)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)和構(gòu)件，使結(jié)構(gòu)達(dá)到該水準(zhǔn)地震作用下的性能要求?；谖灰频目拐鹪O(shè)計(jì)（DBSD）這一概念出現(xiàn)的標(biāo)志是發(fā)表于1992年的文獻(xiàn)1,2。作者指出地震中引起結(jié)構(gòu)和非結(jié)構(gòu)損壞的根本原因是過(guò)大的位移，因此在設(shè)計(jì)中應(yīng)當(dāng)從基于強(qiáng)度轉(zhuǎn)變?yōu)榛谖灰疲钥刂平优豆稍诖笳鹣碌奈灰坪蛯娱g位移角，使結(jié)構(gòu)的塑性變形能力能夠滿足地震作用下的位移；同時(shí)還評(píng)述了用于估算位移的幅值和分布的各種方法，通過(guò)與基于強(qiáng)度和基于延性的設(shè)計(jì)相比較，說(shuō)明了基于位移的設(shè)計(jì)不僅有效，而且簡(jiǎn)單。 目前基于位移

7、的設(shè)計(jì)方法可以分為三類：按延性系數(shù)分析的方法、能力普方法和直接基于位移的方法。4.1 按延性系數(shù)設(shè)計(jì)方法即通過(guò)建立構(gòu)件的位移延性系數(shù)或截面曲率延性系數(shù)和塑性鉸區(qū)混凝土極限壓應(yīng)變的關(guān)系，由約束鋼筋來(lái)保證核心區(qū)混凝土能夠達(dá)到所要求的極限壓應(yīng)變，從而使構(gòu)件的延性系數(shù)符合要求。這種方法在新西蘭等國(guó)家得到應(yīng)用并稱之為“能力設(shè)計(jì)”方法。該方法三個(gè)關(guān)鍵措施為：用剪力增大系數(shù)增大梁端、柱端及梁柱節(jié)點(diǎn)等的抗震組合剪力值，即“強(qiáng)剪弱彎”措施；通過(guò)相信構(gòu)造措施保證可能出現(xiàn)塑性鉸的部位具有所需要的塑性轉(zhuǎn)動(dòng)能力和耗能能力，其中“強(qiáng)柱弱梁”措施是“能力設(shè)計(jì)法”的關(guān)鍵。這個(gè)方法的問(wèn)題在于，用位移延性系數(shù)描述構(gòu)件的彈塑性變形

8、能力時(shí)，如何定義結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的屈服位移和極限位移，不同的定義得到的延性系數(shù)可能相差很大。另外，延性系數(shù)這樣的量化指標(biāo)是在假定屈服機(jī)制、全部塑性鉸同時(shí)出現(xiàn)且鉸位置固定的前提下求得，這種情況實(shí)際上很難實(shí)現(xiàn)。4.2 能力譜方法這種方法的概念最初有freeman等人在1975年提出，后來(lái)做了改進(jìn)。它將靜力彈塑性分析得到的力和位移的關(guān)系曲線轉(zhuǎn)換為等效單自由度體系加速度位移關(guān)系的能力譜，并按照對(duì)結(jié)構(gòu)的延性需求將規(guī)范設(shè)計(jì)反應(yīng)譜折減后轉(zhuǎn)化為反映加速度位移關(guān)系的需求譜，把能力譜和需求譜放在同一坐標(biāo)系中相比較，來(lái)評(píng)價(jià)結(jié)構(gòu)的抗震性能。研究表明，對(duì)于結(jié)構(gòu)的抗震反應(yīng)主要由第一振型控制，基本周期在2s以內(nèi)的結(jié)構(gòu)，能力譜法能

9、夠較好地反映出結(jié)構(gòu)在彈塑性階段的整體與構(gòu)件變形情況，揭示出結(jié)構(gòu)的屈服機(jī)制與內(nèi)在隱患，從而較真實(shí)地反映結(jié)構(gòu)的抗震能力。日本建筑標(biāo)準(zhǔn)法和美國(guó)ATC40，F(xiàn)EMA274都推薦使用該方法。近幾年對(duì)該方法的研究主要集中在原有方法的改進(jìn)上。錢(qián)稼茹等學(xué)者對(duì)由設(shè)計(jì)反應(yīng)譜轉(zhuǎn)換得到的譜中的，分別進(jìn)行不同的折減以考慮長(zhǎng)周期的影響；Barlram Gupta等學(xué)者提出了適應(yīng)譜法，是能力譜法適應(yīng)于強(qiáng)度或剛度分布不均勻的結(jié)構(gòu)，并考慮高階振型的影響；葉獻(xiàn)國(guó)提出的改進(jìn)方法中，對(duì)等效單自由度體系直接進(jìn)行動(dòng)力分析，得到譜位移值而不需要引用規(guī)范的設(shè)計(jì)反應(yīng)譜。概念和計(jì)算簡(jiǎn)單明了，不存在著地震波選取的問(wèn)題。能力譜方法的實(shí)質(zhì)是目前采用的

10、基于承載力的設(shè)計(jì)方法再加上位移、變形的校核。雖然方法本身的可靠性有待試驗(yàn)驗(yàn)證和改進(jìn)，但它比基于承載力的設(shè)計(jì)方法更合理。4.3 直接基于位移的方法 基于位移的設(shè)計(jì)思想早在1975年前就已提出，最早的研究集中在論述彈塑性體系與相應(yīng)的彈性體系的位移關(guān)系上。該方法思路為：根據(jù)抗震規(guī)范中給出的層間彈塑性變形角限值和材料的應(yīng)變損傷限值，確定結(jié)構(gòu)各層的目標(biāo)位移；將節(jié)結(jié)構(gòu)等效為單自由度體系，并計(jì)算其等效質(zhì)量、目標(biāo)位移及等效阻尼比；由目標(biāo)位移和阻尼比，利用設(shè)計(jì)反應(yīng)譜求出等效單自由度體系的周期；計(jì)算等效單自由度體系的等效剛度及基底剪力，轉(zhuǎn)化為原結(jié)構(gòu)的側(cè)向力后進(jìn)行結(jié)構(gòu)構(gòu)件設(shè)計(jì)，再用彈塑性靜力或動(dòng)力分析對(duì)設(shè)計(jì)好的結(jié)構(gòu)

11、進(jìn)行檢驗(yàn)。用這種方法確定目標(biāo)位移和將多自由度體系等效為單自由度體系的前提是結(jié)構(gòu)中可能形成塑性鉸的部位同時(shí)達(dá)到屈服，這在實(shí)際結(jié)構(gòu)中難以實(shí)現(xiàn)。5 基于性能的抗震設(shè)計(jì)方法目前，世界各國(guó)的抗震規(guī)范大多采用二級(jí)或多級(jí)抗震設(shè)計(jì)的思想，如我國(guó)的“小震不壞、中震可修、大震不倒”。依此設(shè)計(jì)思想設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)在遭遇破環(huán)性地震時(shí)，允許出現(xiàn)一定的破環(huán)，但主體結(jié)構(gòu)不倒塌，以確保生命安全。這種方法是以生命安全為單一設(shè)防目標(biāo)的抗震設(shè)計(jì)方法。發(fā)生在大城市和經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)的震害實(shí)例表明，以傳統(tǒng)的抗震設(shè)計(jì)思想所設(shè)計(jì)和建造的建筑結(jié)構(gòu)，可以做到在大震時(shí)主體結(jié)構(gòu)不倒塌，保障人員安全，但不能保證中小地震時(shí)房屋結(jié)構(gòu)，特別是非結(jié)構(gòu)構(gòu)件不破壞，從而

12、導(dǎo)致這些結(jié)構(gòu)在地震作用下經(jīng)濟(jì)損失嚴(yán)重。說(shuō)明僅以基于生命安全的性能水準(zhǔn)建造的房屋已不能滿足社會(huì)和公眾的需求，抗震設(shè)計(jì)應(yīng)該能夠既經(jīng)濟(jì)又可靠的保證建筑結(jié)構(gòu)的功能在地震作用下不致喪失乃至不受影響?；谏鲜稣J(rèn)識(shí)，20世紀(jì)90年代，美國(guó)學(xué)者和工程師們提出了基于結(jié)構(gòu)性能的抗震設(shè)計(jì)方法PBS（Performance-based Seismic Design）。基于性能的抗震設(shè)計(jì)是指在一定水準(zhǔn)的地震作用下，以結(jié)構(gòu)的性能或位移反應(yīng)為目標(biāo)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)和構(gòu)件，使結(jié)構(gòu)達(dá)到該水準(zhǔn)地震作用下的性能或位移要求。由此可見(jiàn)，基于性能的抗震設(shè)計(jì)的兩個(gè)主要任務(wù)就是如何合理計(jì)算結(jié)構(gòu)在給定地震作用下的性能或位移反應(yīng)和確定實(shí)現(xiàn)預(yù)定性能的結(jié)構(gòu)變

13、形容許值，使結(jié)構(gòu)在未來(lái)地震中的抗震性能達(dá)到預(yù)期的性能目標(biāo)?；谛阅艿目拐鹪O(shè)計(jì)主要內(nèi)容包括地震設(shè)防水準(zhǔn)、建筑物性能水準(zhǔn)（Performance Levels）、建筑物性能目標(biāo)（Performance Objectives）、結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)方法等內(nèi)容。由于基于性能的抗震設(shè)計(jì)方法是在基于位移的抗震設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上提出的，它延續(xù)了現(xiàn)行的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)體系，強(qiáng)調(diào)結(jié)構(gòu)位移形狀和非線性靜力分析，各種性能目標(biāo)基本是通過(guò)各種位移限值或與之相關(guān)的延性要求來(lái)實(shí)現(xiàn)的，所以，從技術(shù)角度看，目前基于性能的設(shè)計(jì)實(shí)際上還是基于位移的設(shè)計(jì)?；谛阅艿目拐鹪O(shè)計(jì)是一種個(gè)性化設(shè)計(jì)。如何實(shí)現(xiàn)業(yè)主的個(gè)性化要求與設(shè)計(jì)人員的設(shè)計(jì)之間的對(duì)應(yīng)，是實(shí)現(xiàn)基于性能

14、設(shè)計(jì)的首要任務(wù)。由于人們尚未完全掌握地震發(fā)生機(jī)理及其預(yù)測(cè)、結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性以及這種特性與結(jié)構(gòu)在地震中受損程度的關(guān)系等重要知識(shí)，對(duì)于上述對(duì)應(yīng)關(guān)系的實(shí)現(xiàn)來(lái)講，要進(jìn)行完全的“基于想能的設(shè)計(jì)”，目前還不具備成熟的技術(shù)條件。“基于性能的設(shè)計(jì)”要求分析的內(nèi)容多數(shù)是結(jié)構(gòu)或者構(gòu)件在非線性范圍內(nèi)的工作狀態(tài)，在目前的設(shè)計(jì)水平來(lái)講，這樣會(huì)加大設(shè)計(jì)的難度，增加工作量、延長(zhǎng)設(shè)計(jì)周期、增加設(shè)計(jì)費(fèi)用，所以進(jìn)行非線性分析是大多數(shù)設(shè)計(jì)規(guī)范不愿看到的。另外，在新的分析方法成為常規(guī)分析之前，要求有完善的應(yīng)用程序，也要求設(shè)計(jì)人員學(xué)習(xí)更多的專業(yè)知識(shí)。這一切都是“基于性能的設(shè)計(jì)”遇到的困難。6 結(jié)論基于性能的抗震設(shè)計(jì)代表了未來(lái)結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)的

15、方向，采用“投資效益”準(zhǔn)則下的抗震性能水準(zhǔn)的劃分、抗震性能目標(biāo)的確定以及常用的性能抗震設(shè)計(jì)方法，將克服基于承載力的抗震設(shè)計(jì)不能預(yù)估結(jié)構(gòu)屈服后的工作性能的缺陷。為了在不遠(yuǎn)的將來(lái)把現(xiàn)行規(guī)范全面過(guò)渡到基于性能的建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范，還必須進(jìn)行許多的研究工作，如：地震反應(yīng)位移譜的確定、各性能目標(biāo)限值的確定以及常用的彈塑性靜力分析方法的改進(jìn)等等。從各國(guó)抗震設(shè)計(jì)規(guī)范修訂的動(dòng)向看，基于性能的設(shè)計(jì)將是21世紀(jì)世界抗震設(shè)計(jì)規(guī)范的大潮流，21世紀(jì)的地震工程將是基于結(jié)構(gòu)性能的地震工程，盡管探索之路充滿艱辛，但由于它在滿足社會(huì)多種設(shè)防需求、發(fā)揮結(jié)構(gòu)工程師主動(dòng)性、消除由于設(shè)防水準(zhǔn)不同引起的國(guó)際投資和貿(mào)易障礙、采用改變結(jié)構(gòu)抗

16、震功能的新材料（如高性能混凝土）和新技術(shù)（如減震、隔振措施）等方面有著重大意義。中國(guó)21世紀(jì)的抗震設(shè)計(jì)規(guī)范應(yīng)順應(yīng)國(guó)際發(fā)展的趨勢(shì)，發(fā)展適合中國(guó)國(guó)情的“基于性能”抗震設(shè)計(jì)理論。參考文獻(xiàn)1 葉獻(xiàn)國(guó)多層建筑結(jié)構(gòu)抗震性能的近似評(píng)估J工程抗震，1998（4）：29-30.2 田 穎，錢(qián)稼茹，劉鳳閣.在用RC框架結(jié)構(gòu)基于位移的抗震性能評(píng)估J.建筑結(jié)構(gòu)，2001,31(7):53-56.3 Balram Gupta,EERI M.Kunnath Sashi K.Adaptive Spectra-Based Pusheover Procedure for Seismic Evaluation of Structures J.Earthquake Spectra,2000,16(2):80-81.4 葉獻(xiàn)國(guó)，周錫元，建筑結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)簡(jiǎn)化分析方法的進(jìn)一步改進(jìn)J.合肥工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2000（4）：149-153.5 徐培福，