基于性能的抗震設(shè)計(jì)理論——Push-over分析方法

1、專題一：基于性能的抗震設(shè)計(jì)理論P(yáng)ush-over分析方法西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院建筑工程系劉艷輝 副教授2016.3.21教 學(xué) 計(jì) 劃緒論部分第一周緒論專題一：基于性能的抗震設(shè)計(jì)理論第二周基于性能的抗震設(shè)計(jì)理論研究背景介紹第三周抗震設(shè)防水準(zhǔn)與性能水準(zhǔn)第四周Push-over分析方法第五周延性需求譜方法第六周機(jī)動(dòng)時(shí)間1專題二：連續(xù)倒塌設(shè)計(jì)理論第七周連續(xù)倒塌設(shè)計(jì)理論研究背景第八周倒塌判別標(biāo)準(zhǔn)第九周設(shè)計(jì)方法1構(gòu)造措施方法第十周設(shè)計(jì)方法2拆除構(gòu)件法第十一周機(jī)動(dòng)時(shí)間2專題三：鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)第十二周鋼-組合結(jié)構(gòu)研究進(jìn)展第十三周混凝土本構(gòu)模型介紹第十四周試驗(yàn)研究第十五周試驗(yàn)影響因素分析第十六周機(jī)動(dòng)時(shí)間

2、3總結(jié)部分第十七周提交論文專題2：連續(xù)倒塌設(shè)計(jì)理論研究進(jìn)展混凝土本構(gòu)模型組合梁試驗(yàn)研究試驗(yàn)影響因素分析及結(jié)論專題3：鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)理論背景抗震設(shè)防水準(zhǔn)性能水準(zhǔn)設(shè)計(jì)方法專題1：基于性能的抗震設(shè)計(jì)理論緒論什么是現(xiàn)代建筑？現(xiàn)代建筑面臨的問(wèn)題本課程的主要內(nèi)容教學(xué)計(jì)劃和考評(píng)關(guān)注重點(diǎn)：研究進(jìn)展、Push-over分析方法、延性需求譜、地震波選波問(wèn)題。關(guān)注重點(diǎn)：研究進(jìn)展，本構(gòu)關(guān)系，試驗(yàn)方法研究的主要步驟及細(xì)節(jié)問(wèn)題理論背景倒塌判別標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)方法一設(shè)計(jì)方法二關(guān)注重點(diǎn)：研究進(jìn)展、倒塌判別標(biāo)準(zhǔn)研究、拆除構(gòu)件法今天講課內(nèi)容 Content in todays lecture傳統(tǒng)抗震設(shè)計(jì)方法 Traditional

3、seismic design method基于性能的抗震設(shè)計(jì)方法 Performance-based seismic design method能力譜法 Capacity spectrum methodPush-over分析方法 Push-over analysis三水準(zhǔn): “大震不倒、中震可修、小震不壞”三水準(zhǔn)兩階段設(shè)計(jì)方法當(dāng)遭受低于本地區(qū)抗震設(shè)防烈度的多遇地震影響時(shí)，一般不受損失或者不需要修理可繼續(xù)使用；當(dāng)遭受相當(dāng)于本地區(qū)抗震設(shè)防烈度的地震影響時(shí)，可能損壞，經(jīng)一般修理或者不需要修理仍然可以繼續(xù)使用；當(dāng)遭受高于本地區(qū)抗震設(shè)防烈度預(yù)計(jì)的罕遇地震影響時(shí)，不至于倒塌或者發(fā)生危及生命的嚴(yán)重破壞。1

4、傳統(tǒng)抗震設(shè)計(jì)方法震級(jí):是相對(duì)于某一次具體地震而言，是根據(jù)儀器測(cè)試結(jié)果衡量某次地震釋放的能量的來(lái)分級(jí)的，這個(gè)數(shù)據(jù)是唯一的。震級(jí)每相差1.0級(jí)，能量相差大約32倍；每相差2.0級(jí)，能量相差約1000倍。地震烈度:國(guó)家根據(jù)地面破壞程度的觀察和感覺(jué)，人為地劃分了12個(gè)度，即世界上通用的麥?zhǔn)狭叶缺恚∕M），也有八度表和十度表。地震基本烈度:其實(shí)是根據(jù)某地區(qū)地震的歷史等因素綜合考慮給定的，那是一種概率評(píng)估的結(jié)果?；玖叶仁侵冈摰貐^(qū)今后50年時(shí)間內(nèi)，在一般場(chǎng)地條件下可能遭遇到超越概率為10%的地震烈度.抗震設(shè)防烈度:是與建筑物的抗震性能要求有關(guān)的，它根據(jù)各地區(qū)的地震基本烈度、重要性等確定的抗震設(shè)防烈度。第一

5、階段設(shè)計(jì)：首先按基本烈度相應(yīng)的眾值烈度（相當(dāng)于小震，約比基本烈度低1.55度）的地震參數(shù)，用彈性反應(yīng)譜法求得結(jié)構(gòu)在彈性狀態(tài)下的地震作用效應(yīng)，然后與其它荷載效應(yīng)按一定的組合原則進(jìn)行組合，對(duì)構(gòu)件截面進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)或驗(yàn)算，以保證必要的強(qiáng)度；再驗(yàn)算在小震作用下結(jié)構(gòu)的彈性變形。第二階段設(shè)計(jì)：在大震作用下，驗(yàn)算結(jié)構(gòu)薄弱部位的彈塑性變形，對(duì)特別重要的建筑和地震時(shí)易倒塌的結(jié)構(gòu)除進(jìn)行第一階段的設(shè)計(jì)外，還要按第三水準(zhǔn)烈度（大震）的地震動(dòng)參數(shù)進(jìn)行薄弱層（部位）的彈塑性變形驗(yàn)算，并采取相應(yīng)的構(gòu)造措施，以滿足第三水準(zhǔn)的設(shè)防要求（大震不倒）。在設(shè)計(jì)中通過(guò)良好的抗震構(gòu)造措施使第二水準(zhǔn)要求得以實(shí)現(xiàn)，從而達(dá)到“中震可修”的要求地

6、震影響系數(shù)曲線（1）第一階段設(shè)計(jì)第一階段設(shè)計(jì): 彈性反應(yīng)譜法反應(yīng)譜:單自由度彈性系統(tǒng)在給定地震動(dòng)作用下的最大反應(yīng)隨結(jié)構(gòu)自振周期的變化曲線。同時(shí)是阻尼比的函數(shù)。單自由度體系:將結(jié)構(gòu)中參與振動(dòng)的質(zhì)量全部集中在一點(diǎn)上，用無(wú)重的彈性桿件系統(tǒng)支撐于地面上。并假定地面運(yùn)動(dòng)和結(jié)構(gòu)振動(dòng)只是單方向的水平平移運(yùn)動(dòng)，不發(fā)生扭轉(zhuǎn)。地基是剛性地面（即不考慮土-結(jié)構(gòu)相互作用）地震動(dòng)峰值加速度:地震動(dòng)峰值加速度，與地震動(dòng)加速度反應(yīng)譜最大值相應(yīng)的水平加速度。設(shè)計(jì)基本地震動(dòng)峰值加速度:即對(duì)應(yīng)基本烈度50年超越概率為10%的動(dòng)峰值加速度，抗震規(guī)范明確：6度0.05g；7度0.10（0.15）g；8度0.20（0.30）g；9度0

7、.40g。（2）第二階段設(shè)計(jì)為實(shí)現(xiàn)性能抗震設(shè)計(jì)思想，可以借助多種方法，如傳統(tǒng)的基于力的設(shè)計(jì)方法、基于位移、能量、損傷的設(shè)計(jì)方法等。但就目前的研究水平而言，把性能設(shè)計(jì)應(yīng)用到實(shí)際設(shè)計(jì)中主要有兩種方法：1傳統(tǒng)的基于力的抗震設(shè)計(jì)方法。即首先進(jìn)行基于地震作用的強(qiáng)度計(jì)算，然后進(jìn)行變形驗(yàn)算。與目前設(shè)計(jì)方法主要不同的是，結(jié)構(gòu)性能水平要有多水準(zhǔn)明確的量化，在考慮多級(jí)地震作用下，進(jìn)行結(jié)構(gòu)性能的驗(yàn)算。2基于位移的抗震設(shè)計(jì)方法。即采用位移作為結(jié)構(gòu)性能指標(biāo)。直接以目標(biāo)位移作為設(shè)計(jì)變量。采用基于位移的抗震設(shè)計(jì)方法，可以在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)初始就明確結(jié)構(gòu)的性能設(shè)計(jì)水平，并且使設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)性能正好達(dá)到目標(biāo)性能水平，而不是傳統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)給出一

8、個(gè)限值。2 基于性能的抗震設(shè)計(jì)方法基于位移的抗震設(shè)計(jì)方法延性系數(shù)法：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)與塑性鉸區(qū)混凝土極限壓應(yīng)變的關(guān)系，由約束箍筋來(lái)保證核心混凝土能夠達(dá)到所要求的極限壓應(yīng)變，從而使構(gòu)件具有要求的延性系數(shù)能力譜法：將地震需求譜曲線和結(jié)構(gòu)能力譜曲線繪在同一圖中，求得兩個(gè)曲線相交點(diǎn)的位移，或采用圖示的方法直觀地評(píng)估結(jié)構(gòu)在給定地震作用下的性能，它的關(guān)鍵就是地震需求譜曲線的研究和能力譜曲線的確定。直接基于位移的設(shè)計(jì)方法：把位移作為基本設(shè)計(jì)變量，在設(shè)計(jì)的整個(gè)過(guò)程中，位移始終處于控制地位，針對(duì)不同的功能目標(biāo)，位移向量可以方便地進(jìn)行調(diào)整，進(jìn)而對(duì)整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程做出調(diào)整，從而設(shè)計(jì)出滿足不同

9、功能的結(jié)構(gòu)。能力譜其最初概念是由Freeman等人在1975年為美國(guó)海軍抗震工程項(xiàng)目做簡(jiǎn)化評(píng)估時(shí)提出的, 后來(lái)經(jīng)過(guò)不斷改進(jìn)。后應(yīng)用于ATC-40,FEMA-273中。它是通過(guò)圖形方法, 把結(jié)構(gòu)的能力與地震地面運(yùn)動(dòng)對(duì)結(jié)構(gòu)的要求進(jìn)行比較3 能力譜法三個(gè)概念：能力譜：是指通過(guò)彈塑性靜力分析方法得到的結(jié)構(gòu)特征點(diǎn)位移與基底剪力之間的關(guān)系，并通過(guò)等效 SDOF 體系公式將其轉(zhuǎn)化為加速度位移的關(guān)系曲線；地震需求譜（Demand Spectrum）實(shí)質(zhì)上是地震反應(yīng)譜曲線或者輸入地震動(dòng)記錄的某一彈塑性反應(yīng)譜曲線。一般情況下，通過(guò)將需求譜和能力譜相疊加在譜位移-譜加速度坐標(biāo)體系中來(lái)評(píng)估結(jié)構(gòu)在地震作用下的結(jié)構(gòu)的反應(yīng)

10、特征。性能點(diǎn)：如果兩曲線不相交，說(shuō)明結(jié)構(gòu)未達(dá)到設(shè)計(jì)地震的性能要求（即發(fā)生破壞或倒塌），無(wú)法抵御預(yù)計(jì)的地震，如果兩譜線相交，則說(shuō)明結(jié)構(gòu)的抗震性能能夠滿足抗震的需要，相交點(diǎn)被定義為結(jié)構(gòu)抗震性能點(diǎn)（Performance Point），從而可根據(jù)該點(diǎn)對(duì)應(yīng)的結(jié)構(gòu)基底剪力、頂點(diǎn)位移等。能力譜的基本計(jì)算步驟 :( 1)按規(guī)范進(jìn)行結(jié)構(gòu)承載力設(shè)計(jì);( 2)用靜力彈塑性分析方法( Push- over)計(jì)算結(jié)構(gòu)基底剪力-頂點(diǎn)位移vb - un的曲線;( 3)建立能力譜曲線, 用等效單自由度體系代替原結(jié)構(gòu), 因此可將vb - un 曲線轉(zhuǎn)換為譜加速度Sa -譜位移Sd 曲線, 即能力譜曲線;( 4)建立非彈性需求

11、譜曲線, 可將需求譜曲線轉(zhuǎn)化成Sa - Sd 譜曲線;( 5)確定結(jié)構(gòu)的等效延性系數(shù), 將能力譜曲線和需求譜曲線畫(huà)在同一坐標(biāo)系中, 檢驗(yàn)結(jié)構(gòu)的抗震能力, 如圖2所示。兩曲線的交點(diǎn)對(duì)應(yīng)的位移即為等效單自由度體系的譜位移。將譜位移轉(zhuǎn)化成原結(jié)構(gòu)的頂點(diǎn)位移, 根據(jù)曲線即可確定結(jié)構(gòu)的塑性鉸分布, 然后修改設(shè)計(jì)方案或加固原結(jié)構(gòu)。4 Push-over方法彈塑性靜力分析方法（也稱Push-over方法），是在一組能夠近似反應(yīng)結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性、單調(diào)遞增的側(cè)向荷載作用下，進(jìn)行逐步彈塑性靜力分析，直到結(jié)構(gòu)達(dá)到預(yù)先確定的目標(biāo)位移或倒塌狀態(tài)，以得到結(jié)構(gòu)位移與剪力的關(guān)系曲線。彈塑性靜力分析方法的分析結(jié)果在很大程度上依賴于水平荷載的分布模式，因此，水平荷載分布模式的合理確定，成為這一方法最為重要的研究?jī)?nèi)容。目前，荷載分布模式的研究主要分為兩種：基于力的加載模式和基于位移的加載模式。 Anil K Chopra , Rakish K Goel. Capacity Demand Diagram Method for Estimating Seismic Deformation of Inelastic Structures: SDOF System. University of California, Berkeley, PEER Repor