第四講 Push-over方法

1、專題一：基于性能的抗震設(shè)計理論Push-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 劃緒論部分第一周緒論專題一：基于性能的抗震設(shè)計理論第二周基于性能的抗震設(shè)計理論研究背景介紹第三周抗震設(shè)防水準與性能水準第四周Push-over分析方法第五周延性需求譜方法第六周機動時間1專題二：連續(xù)倒塌設(shè)計理論第七周連續(xù)倒塌設(shè)計理論研究背景第八周倒塌判別標(biāo)準第九周設(shè)計方法1構(gòu)造措施方法第十周設(shè)計方法2拆除構(gòu)件法第十一周機動時間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)研究進展第十三周混凝土本構(gòu)模型介紹第十四周試驗研究第十五周試驗影響因素分析第十六周機動時間

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)計理論1. 研究進展2. 混凝土本構(gòu)模型3. 組合梁試驗研究4. 試驗影響因素分析及結(jié)論專題3：鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)1. 理論背景2. 抗震設(shè)防水準3. 性能水準4. 設(shè)計方法設(shè)計方法專題1：基于性能的抗震設(shè)計理論緒論1.什么是現(xiàn)代建筑？2.現(xiàn)代建筑面臨的問題3.本課程的主要內(nèi)容4.教學(xué)計劃和考評關(guān)注重點：研究進展、Push-over分析方法、延性需求譜、地震波選波問題。關(guān)注重點：研究進展，本構(gòu)關(guān)系，試驗方法研究的主要步驟及細節(jié)問題1. 理論背景2. 倒塌判別標(biāo)準3. 設(shè)計方法一4. 設(shè)計方法二關(guān)注重點：研究進展、倒塌判別標(biāo)準研究、拆除構(gòu)件法今天講課內(nèi)

3、容 Content in todays lecturel 傳統(tǒng)抗震設(shè)計方法 Traditional seismic design methodl 基于性能的抗震設(shè)計方法 Performance-based seismic design methodl 能力譜法 Capacity spectrum methodl Push-over分析方法 Push-over analysis三水準: “大震不倒、中震可修、小震不壞”三水準兩階段設(shè)計方法1. 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，一般不受損失或者不需要修理可繼續(xù)使用；2. 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，可能損壞，經(jīng)一般修理

4、或者不需要修理仍然可以繼續(xù)使用；3. 當(dāng)遭受高于本地區(qū)抗震設(shè)防烈度預(yù)計的罕遇地震影響時，不至于倒塌或者發(fā)生危及生命的嚴重破壞。1 傳統(tǒng)抗震設(shè)計方法l 震級:是相對于某一次具體地震而言，是根據(jù)儀器測試結(jié)果衡量某次地震釋放的能量的來分級的，這個數(shù)據(jù)是唯一的。震級每相差1.0級，能量相差大約32倍；每相差2.0級，能量相差約1000倍。l 地震烈度:國家根據(jù)地面破壞程度的觀察和感覺，人為地劃分了12個度，即世界上通用的麥氏烈度表（MM），也有八度表和十度表。l 地震基本烈度:其實是根據(jù)某地區(qū)地震的歷史等因素綜合考慮給定的，那是一種概率評估的結(jié)果。基本烈度是指該地區(qū)今后50年時間內(nèi)，在一般場地條件下可

5、能遭遇到超越概率為10%的地震烈度.l 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。l 第一階段設(shè)計：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行組合，對構(gòu)件截面進行抗震設(shè)計或驗算，以保證必要的強度；再驗算在小震作用下結(jié)構(gòu)的彈性變形。l 第二階段設(shè)計：在大震作用下，驗算結(jié)構(gòu)薄弱部位的彈塑性變形，對特別重要的建筑和地震時易倒塌的結(jié)構(gòu)除進行第一階段的設(shè)計外，還要按第三水準烈度（大震）的地震動參數(shù)進行薄弱層（部位）的彈塑

6、性變形驗算，并采取相應(yīng)的構(gòu)造措施，以滿足第三水準的設(shè)防要求（大震不倒）。l 在設(shè)計中通過良好的抗震構(gòu)造措施使第二水準要求得以實現(xiàn)，從而達到“中震可修”的要求地震影響系數(shù)曲線（1）第一階段設(shè)計第一階段設(shè)計: 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。同時是阻尼比的函數(shù)。單自由度體系:將結(jié)構(gòu)中參與振動的質(zhì)量全部集中在一點上，用無重的彈性桿件系統(tǒng)支撐于地面上。并假定地面運動和結(jié)構(gòu)振動只是單方向的水平平移運動，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）地震動峰值加速度:地震動峰值加速度，與地震動加速度反應(yīng)譜最大值相應(yīng)的水平加速度。設(shè)計基本地震

7、動峰值加速度:即對應(yīng)基本烈度50年超越概率為10%的動峰值加速度，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0.40g。（2）第二階段設(shè)計為實現(xiàn)性能抗震設(shè)計思想，可以借助多種方法，如傳統(tǒng)的基于力的設(shè)計方法、基于位移、能量、損傷的設(shè)計方法等。但就目前的研究水平而言，把性能設(shè)計應(yīng)用到實際設(shè)計中主要有兩種方法：1傳統(tǒng)的基于力的抗震設(shè)計方法。即首先進行基于地震作用的強度計算，然后進行變形驗算。與目前設(shè)計方法主要不同的是，結(jié)構(gòu)性能水平要有多水準明確的量化，在考慮多級地震作用下，進行結(jié)構(gòu)性能的驗算。2基于位移的抗震設(shè)計方法。即采用位移作為結(jié)構(gòu)性能指標(biāo)。直接以

8、目標(biāo)位移作為設(shè)計變量。采用基于位移的抗震設(shè)計方法，可以在結(jié)構(gòu)設(shè)計初始就明確結(jié)構(gòu)的性能設(shè)計水平，并且使設(shè)計的結(jié)構(gòu)性能正好達到目標(biāo)性能水平，而不是傳統(tǒng)設(shè)計時給出一個限值。2 基于性能的抗震設(shè)計方法基于位移的抗震設(shè)計方法l延性系數(shù)法：通過建立構(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，由約束箍筋來保證核心混凝土能夠達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)l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，求得兩個曲線相交點的位移，或采用圖示的方法直觀地評估結(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。l直接基于位移的設(shè)計方

9、法：把位移作為基本設(shè)計變量，在設(shè)計的整個過程中，位移始終處于控制地位，針對不同的功能目標(biāo)，位移向量可以方便地進行調(diào)整，進而對整個設(shè)計過程做出調(diào)整，從而設(shè)計出滿足不同功能的結(jié)構(gòu)。能力譜其最初概念是由Freeman等人在1975年為美國海軍抗震工程項目做簡化評估時提出的, 后來經(jīng)過不斷改進。后應(yīng)用于ATC-40,FEMA-273中。它是通過圖形方法, 把結(jié)構(gòu)的能力與地震地面運動對結(jié)構(gòu)的要求進行比較3 能力譜法三個概念：能力譜：是指通過彈塑性靜力分析方法得到的結(jié)構(gòu)特征點位移與基底剪力之間的關(guān)系，并通過等效 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）

10、實質(zhì)上是地震反應(yīng)譜曲線或者輸入地震動記錄的某一彈塑性反應(yīng)譜曲線。一般情況下，通過將需求譜和能力譜相疊加在譜位移-譜加速度坐標(biāo)體系中來評估結(jié)構(gòu)在地震作用下的結(jié)構(gòu)的反應(yīng)特征。性能點：如果兩曲線不相交，說明結(jié)構(gòu)未達到設(shè)計地震的性能要求（即發(fā)生破壞或倒塌），無法抵御預(yù)計的地震，如果兩譜線相交，則說明結(jié)構(gòu)的抗震性能能夠滿足抗震的需要，相交點被定義為結(jié)構(gòu)抗震性能點（Performance Point），從而可根據(jù)該點對應(yīng)的結(jié)構(gòu)基底剪力、頂點位移等。能力譜的基本計算步驟 :( 1)按規(guī)范進行結(jié)構(gòu)承載力設(shè)計;( 2)用靜力彈塑性分析方法( Push- over)計算結(jié)構(gòu)基底剪力-頂點位移vb - un的曲線;

11、( 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在同一坐標(biāo)系中, 檢驗結(jié)構(gòu)的抗震能力, 如圖2所示。兩曲線的交點對應(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)的動力特性、單調(diào)遞

12、增的側(cè)向荷載作用下，進行逐步彈塑性靜力分析，直到結(jié)構(gòu)達到預(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內(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。l Anil K Chopra , Rakish K Goel. Capacity Demand Diagram Method for Estimating Seismic Deformation of Inelastic Structures: SDOF System. University of California, Berkeley, PEER Report1999/ 02l 王克海,李茜.基于模態(tài)分析的Push-over