基于性能的抗震设计理论与方法.docx

1、基于性能的抗震设计理论与方法基于结构性能的抗震设计理论与方法1.1 问题的提出1.1.1 现行规范的抗震设计方法基本原理 ：基于力的设计方法存在问题设防目标单一：主要是保证结构安全不能有效地控制地震造成的损失1999 年 土耳其 IzmitM7.4死 1.5 亡万余人，伤 2 万余人1989 年美国 Loma PrietaM7.1伤亡数百人，经济损失为 150亿美元1994年美国 NorthridgeM6.7伤亡 57人，经济损失为 170 亿美元1995年日本阪神M7.1死亡 5500 多人，经济损失达 到创纪录的 1000亿美元 ，震 后的基本恢复重建工作花费 2 年，耗资近 1000 亿

2、美元；1999年我国台湾集镇M7.3死亡 2405 人，伤 11306人，经济损失近 100 亿美元1.1.2 抗震设计新理论基本原理 ：基于性能的抗震设计理论 (Performance Based Seismic Design)基于性能的抗震设计理论是 20 世纪 90 年代初由美国学者提出， 按此理论设计的结构在未来的地震灾害下 能够维持所要求的性能水 平。发展现状基于性能的抗震设计作为一种更合理的设计理念， 代表了未来结 构抗震设计的发展方向，引起了各国广泛的重视。美国美国应用技术委员会 ATC-33(1992) 率先将基于位移的设计思想 引入在用结构的抗震加固；美国联邦紧急管理厅资助的

3、国家地震减灾项目 NEHRP 提出了在 用结构基于位移的抗震评估及加固方法， 于1997年出版了 房屋抗震 加固指南 (FEMA273/274) ；ATC-40(1996)和加州结构工程师协会1995年公布的SEAOC2000 都引入了基于位移的抗震设计方法；美国国际规范委员会(ICC)佃97年出版的国际建筑规范2000(草 案)IBC2000(Draft)强调了与结构位移设计有关的内容。2003 年美国 ICC ( International Code Council ) 发布了建筑物 及设施的性能规范日本 1995年开始进行了为期 3年的 “建筑结构的新设计框架开发 ”研究 项目，并在研究

4、报告 “基于性能的建筑结构设计 ”中总结了研究成果。2000 年 6 月 实 行 了 新 的 基 于 性 能 的 建 筑 基 准 法 (Building Standard Law)。欧洲1998年欧洲CEB出版钢筋混凝土结构控制弹塑性反应的抗震设 计：设计概念及规范的新进展 ，提出了用基于位移的方法评估在用 结构的抗震性能和进行抗震加固设计， 将构件塑性铰区的曲率转化为 对混凝土极限压应变的要求， 以此设计塑性铰区的约束箍筋， 避免纵 筋压屈并保证混凝土有能力达到要求的极限压应变。欧洲混凝土协会 (CEB) 于 2003年出版了 “钢筋混凝土建筑结构 基于位移的抗震设计 ”报告。澳大利亚则在基

5、于性能设计的整体框架以及建筑防火性能设计等方面做了许多研究 , 提出了相应的建筑规范 (BCA 1996)。中国国家自然科学基金 “八五”重大项目 “城市与工程减灾基础研究 ” 的有关专题就开始涉及到这方面的研究。国家自然科学基金 “九五”重大项目 “大型复杂结构体系的关键科 学问题和设计理论 ”的一些专题包含了这方面的部分内容。中国建筑科学研究院工程抗震研究所联合国内部分高校和研究 所开展了 “我国 2000年工程抗震设计模式规范 ”的研究，并于 2000年 建筑结构学报第一期介绍了这方面的研究成果。中国工程建设标准化 协会标准 建筑工程抗震性态设计通则 (CECS160：2004)目前正在

6、修订的 国家标准建筑抗震设计规范 、混凝土结构设 计规范 拟纳入基于性能的抗震设计方法。1.2 基本概念和理论框架1.2.1 基本概念 根据地震作用的不确定性(发生时间、强度和持时等)以及结构 抗力的不确定性， 对不同风险水平的地震作用 ，使结构满足 不同的功 能要求。122理论框架1 .地震风险水平（Hazard Level）-地震设防水准未来可能作用于场地的地震作用的大小。 或者说，应选择多大强度的地震作为防御的对象。中国抗震设计规范 GB50011-2001三水准设防中国地震风险水平地震作用 水平50年超越概 率重现期（年）小震63.2%50中震10%475大震23%24951642美国

7、有关部门的研究报告 FEMA 273、SEAOC Vision 2000美国地震风险水平地震作用 水平FEMA方案SEAOC方案50年超越概率重现期（年）超越概率重现期（年）常遇地震50%7230 年 50%43偶遇地震20%22550年50%72稀遇地震10%47450 年 10%474罕遇地震2%2475100年10%9702 .性能水平（Performance Level）建筑物在特定的某一地震作用下 预期破坏的最大程度我国抗震设计规范 GB50011-2001小震不坏基本完好 0 =550中震可修中等破坏大震不倒严重破坏 0 =/50美国SEAOC关于混凝土框架的性能水平性能水平使用良

8、好使用无害人生安全防止倒塌震害程度基本完好轻微破坏中等破坏严重破坏瞬时1/5001/2001/671/40永久1/2001/40性能水平的定性描述以及量化指标3 .性能目标(Performance Objective)建筑物应达到的性能水平。结构的性能目标是指在一定超越概率 的地震发生时，结构期望的最大破坏程度。我国抗震规范的目标性能是：小震不坏、中震可修、大震不倒。建筑物性能目标地震风险 水平性能水平使用 良好使用 无害人身 安全防止 倒塌常遇地震aooo偶遇地震eboo稀遇地震hfco罕遇地震igd基本性能目标：a, b, c, d 重要性能目标：e, f, g特别性能目标：h, i 不可

9、接受：o表3 FEMA 273的性能目标地震风险性能水平正常使用立即入住生命安全防止倒塌50%/50 年abcd20%/50 年efgh10%/50 年 i jkl2%/50 年mnoPFEMA 273考虑了三类目标性能： 基本安全目标：k+p加强目标：k+p+(a,e,i,m)或(b,f,j,n)的任一个, 有限目标：k,p,c,d,g,h表4 SEAOC Vision 2000的性能目标地震风险性能水平完全正常使 用正常使用生命安全接近倒塌50%/30 年100050%/50 年210010%/50 年321010%/100 年321SEAOC Vision 2000考虑了三类目标性能：

10、基本目标：1主要/风险目标：2 安全临界目标：3 另外，0表示不可接受的目标。ATC 40没有给出一般的性能目标，而很具建筑结构的重要性和 用途等特点，给除了参考目标性能，如普通建筑的目标性能 (结构部分)可取表5所示。表5 ATC 40的性能目标地震风险结构类型新建筑普通加固高人口密度最少修理 时间50%/50 年10%/50 年破坏控制生命安全生命安全立即入住5%/50 年结构稳定生命安全表6日本研究报告的性能目标地震风险性能水平正常使用易修复生命安全EaAEbABEcABCEdBCEeC表6中，地震作用从Ea到Ee,其强度依次减小，Ed和Ee相当 于中等烈度的地震，Ec相当于高烈度地震。

11、根据实际情况，可以采 用不同的目标性能，女口 AAA、AAB、ABC、BBA、BBB、BBC、CCA、 CCB、CCC，其中，目标性能CCC为设计规范规定的最低性能水平。1.3基于变形（位移）的抗震设计理论与方法1.3.1问题的提出基于性能的抗震设计 -如何具体操作（如何实现，通过何种途径）结构性参数强度（strength）,刚度（stiffness）延性（ductility）均与变形有关刚度（变形） T F M ,N,V -构件承载力设计（强度）以变形作为设计变量，最能反映结构的性能。结构的破坏程度结构构件和非结构构件：用层间位移控制破坏程度约束混凝土构件：用混凝土极限压应变控制受压破坏RC

12、构件屈服后的抗剪强度：与构件的 弹塑性变形有很大关系 结构的破坏程度与变形的关系比受力的关系更为密切 。基于变形（位移）的抗震设计-以变形（位移）作为设计变量（Deformation/Displacement-Based Seismic DesginDBSD）方法分类直接基于位移的抗震设计方法(Direct Displacement-Based Seismic Desgjn 能力谱法(Capacity Spectrum Method) 按延性系数的设计方法(Ductility-Based Seismic Desgi)1.3.2直接基于位移的抗震设计方法直接基于位移的方法步骤如下：(1)建立位移

13、反应谱。基本方法x(t)= -丄0xge弘7 sin国(t -巧如 COT t . -(tT 2兀Sd =2 Xg)e sm T 住一d打输入地震波Xg (t)给定T/ 计算位移建立具有不同阻尼比 的位移反应谱规范加速度反应谱-位移反应谱 &)2Sa(2)选择一个初始位移形状(一开始，就将位移作为设计变量)根据层间位移限值确定A. = A . + A取第一振型的振型曲线取某种荷载作用下的侧移曲线Ui = iiU r(3 )计算等效单自由度体系的目标位移Ueff :n一 2Z mui 2 Urueff n、 mu 1i 4图1.2直接基于位移的抗震设计基本思路(4)确定等效单自由度体系的 等效质

14、量:(5)确定结构的 等效阻尼比e。由延性系数，和结构体系按图eff 二 o 0.2(1 -1 7)1.2( c)确定。eff 兀_口 卩+口卩21 1 eff 二 0 0.0587(-1)阿1 ；ff = 0 (1 )只 JU(6)根据等效位移Ueff及等效阻尼比e，由位移反应谱确定等效 周期Te。(7) 确定等效单自由度体系的 等效刚度Ke :度体系的Ueff， e确定。(5)计算设计基底剪力和水平地震力：等效单自由度体系的位 移、刚度确定后，等效单自由度体系的地震作用 Fd (图12 (b), 即原结构的设计基底剪力Vb由下式确定：(1.6)Vb = KeUeff水平地震力沿原结构高度的

15、分布(图1.2 (a)可以用下式计算:(6)对结构进行刚度设计和承载力设计。 计算重力荷载效应及 水平地震作用效应，内力组合，截面配筋计算。(7)对结构进行非线性静力分析(Pushover Analysis，校核结 构的侧移形状与预先假定的是否一致；评价结构的变形及承载力是否 满足要求。(8)如果结构的侧移形状与预先假定的不一致，或者结构的变形及承载力不满足要求，则应修改刚度分布和承载力特点：(1)设计一开始，即以 位移作为设计变量。(2)根据在一定水准地震作用下 预期的位移计算地震作用，进行 结构设计，以使构件达到预期的变形，结构达到预期的位移。(3)设计者可以控制结构的破坏状况。4 I )

16、 .la - J I hi r ui = ui：二 ui结构的侧移形状按满足性能水平的层间侧移角来控制。缺点：由上述可见，直接基于位移的抗震设计方法实际上仅考虑 了结构第1振型，因而适用于中低层建筑结构的抗震设计， 而对于高 振型影响较大的高层及复杂结构会产生较大的误差。附注：取某种荷载作用下的侧移曲线框架结构 假定水平地震作用为倒三角形分布，则 等截面剪切悬臂杆(图1)在任意高度z处的侧移u(z)可表示为u(z) +6GA-H lH丿如令.二z/H，则上式可改写为(5)剪力墙结构：用作用倒三角形分布荷载的等截面弯曲悬臂杆的侧 移曲线作为其侧移模式(图2)，任意高度z(仝H)处的侧移u(为 u

17、()(20 2 一10 3 5)40式中，为剪力墙底层下端截面的曲率。对于 使用良好”性能水平，可假定其弹性极限为剪力墙底层下端 截面的曲率刚好达到该截面的屈服曲率 、，相应的目标侧移曲线为 H 2(6)u()二匕(20 2 一10 3 5)40式中，截面的屈服曲率 -y可按下式确定10:I =2 ；y/hw (7)其中，；y为配置在剪力墙截面两端的纵向受力钢筋的屈服应变； hw为剪力墙截面高度。框架-剪力墙结构：可用作用倒三角形分布荷载的 等截面弯剪悬臂 杆的侧移曲线作为其侧移模式(图2)，任意高度z(= H)处的侧移u() 为1.3.3能力谱法1.抗震性能评估2.抗震设计初步设计结构 t静

18、力弹塑性分析，建立能力曲线 t建立需求曲线 t将能力曲线与需求曲线置于同一坐标中，交点为 性 能点” T等效单自由度体系的位移 t原多自由度体系的位移 t判别结构是否满足要求能力谱法(Capacity Spectrum Method 基本思想：在同一图上建立两条谱曲线，一条是将力-位移曲线转 化为能力谱曲线，另一条为将加速度反应谱转化为 需求谱曲线， 把两条曲线绘在同一图上，两条曲线的 交点为目标位移点”，亦 称性能点”。地震需求：结构在地震作用下的反应(加速度、位移、内力等)该图以位移为横坐标，加速度为纵坐标，称为ADRS (Acceleration Displacement Respons

19、e Spectrum)式。能力谱”和 需求谱”应分别称之为 能力曲线(capacity curve) ” 和 需求曲线(demand curve)。建立能力曲线和需求曲线是能力谱法的关键。方法1)推覆分析(Pushover Analysis：在结构上施加静力荷载，进行Pushover分析，直至结构倒塌或整体刚度矩阵 det K 0，可以得到结构的基底剪力Vb-顶点位移Ur曲线图613 (a)图6.1.3能力谱法2)建立能力曲线。假定结构的地震反应以第一振型为主，且在整 个地震反应过程中结构沿高度的侧移可以用一个不变的形状向量表 示，这样就可以将原结构等效为一个单自由度体系，而 Vb -Ur曲线

20、也相应地按下式逐点转化为 等效自由度体系的谱加速度Sa-谱位移Sd曲 线(ADRS 格式)图 6.1.3 (b):Sa , Sd =亠 匸28)M1 1式中：1,M1分别为结构第一振型的振型参与系数和模态质量，第一振型向量按顶点向量 位移为1正则化。3)建立需求曲线。可采用两种方法建立需求曲线：一是将规范的 加速度反应谱转化为需求曲线，二是采用地面运动加速度时程作为结 构的输入直接建立需求曲线。如采用前者，则可以按下式将标准的加 速度反应谱(Sa -T谱)转化为Sa-Sd谱曲线(ADRS格式):T 2Sd =( ) Sa (6.1.29)2兀式中，T为结构自振周期。对于不同的阻尼比，可以按式(

21、 6.1.29)建立不同的需求曲线，如图 6.1.3 (C1)所示。Chopra等6.13提出采用弹塑性反应谱建立需求曲线，且采用的是等延性加速度反应谱。非弹性位移与加速度、周期之间存在以下关系:(6.1.30)Sa, Sd分别为单自由度弹性体系的谱加速度和谱位移;Sdp为单自由度非弹性体系的谱位移；J为位移延性系数；R表示由于结构的非弹性变形对弹性地震力的折减系数， 按下列各式确定：(6.1.31a)(6.1.31b)R =(-1)T 1 T 汀。ToR T _T0To =0.65“.气汀g式中，Tg为场地特征周期。对于不同的延性比 ，可以按式（6.1.30）建立不同的需求曲线， 如图6.1

22、.3（C2）所示。4）确定目标位移。将能力曲线与需求曲线绘在同一张图 （ADRSueff ，格式）上，其交点对应的位移为等效单自由度体系的等效位移 再按式（6.1.13）将其转化为原结构的顶点位移，即 目标位移ur = 1ueff小结：实际上是一种图解计算过程1.3.4基于位移延性系数的设计方法一截面变形能力设计（以剪力墙截面设计为例）（1） 计算截面受压区高度X或相对受压区高度；（2） 计算截面的屈服曲率；cy =(0.00056 0.003 /1.65) fy/310(3)确定位移延性比需求 ，vs需要用约束混凝土的应力-应变关系Vi/厶 Ki Vj/C：i/hi) Ki hi1 2 -Vf/Vi 十 Ki+ ViHt/(V*hE) KrhRd 一 Sd Sd - 1.2SGk 0.5SQk 1.3SBk