基于性能的抗震設(shè)計理論與方法_第1頁
基于性能的抗震設(shè)計理論與方法_第2頁
基于性能的抗震設(shè)計理論與方法_第3頁
基于性能的抗震設(shè)計理論與方法_第4頁
基于性能的抗震設(shè)計理論與方法_第5頁
已閱讀5頁,還剩10頁未讀, 繼續(xù)免費閱讀

下載本文檔

版權(quán)說明:本文檔由用戶提供并上傳,收益歸屬內(nèi)容提供方,若內(nèi)容存在侵權(quán),請進行舉報或認(rèn)領(lǐng)

文檔簡介

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(biāo)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(jì)錄的1000億美元,震后的基本恢復(fù)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 死亡

2、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 Seismic Design)基于性能的抗震設(shè)計理論是20世紀(jì)90年代初由美國學(xué)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19

3、97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(zhǔn)法(Buildin

4、g 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(xué)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

5、就開始涉及到這方面的研究。國家自然科學(xué)基金“九五”重大項目“大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)體系的關(guān)鍵科學(xué)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(xué)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(xué)報第一期介紹了這方面的研究成果。中國工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)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(fēng)險

6、水平的地震作用,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(fēng)險水平(Hazard Level) -地震設(shè)防水準(zhǔn) 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(zhǔn)設(shè)防中國地震風(fēng)險水平地震作用水平50年超越概率重現(xiàn)期(年)小震63.2%50中震10%475大震23%24951642美國有關(guān)部門的研究報告FEMA 273、SEAOC Vision 2000 美國地震風(fēng)險水平地震作用水平FEMA方案SEAOC方案50年超越概率重現(xiàn)期(年)超越概率重現(xiàn)期(年)常遇地震50%7230年50%43偶遇地震20%22550

7、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(yán)重破壞 =1/50 美國SEAOC關(guān)于混凝土框架的性能水平性能水平使用良好使用無害人生安全防止倒塌震害程度基本完好輕微破壞中等破壞嚴(yán)重破壞瞬時/h<1/500<1/200<1/67<1/40永久/h<1/200<1/40性能水平的定性描述以及量化指標(biāo) 3性能目標(biāo)(Perfo

8、rmance Objective)建筑物應(yīng)達到的性能水平。結(jié)構(gòu)的性能目標(biāo)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(biāo)性能是:小震不壞、中震可修、大震不倒。建筑物性能目標(biāo)地震風(fēng)險水平性能水平使用良好使用無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基本性能目標(biāo):a,b,c,d重要性能目標(biāo):e,f,g特別性能目標(biāo):h,i不 可 接 受:o表3 FEMA 273的性能目標(biāo)地震風(fēng)險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ijkl2%/50年mnopFEMA 273考慮了三類目標(biāo)性

9、能:基本安全目標(biāo):k+p加強目標(biāo):k+p+(a,e,i,m)或(b,f,j,n)的任一個,有限目標(biāo):k,p,c,d,g,h表4 SEAOC Vision 2000的性能目標(biāo)地震風(fēng)險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考慮了三類目標(biāo)性能:基本目標(biāo):1主要/風(fēng)險目標(biāo):2安全臨界目標(biāo):3另外,0表示不可接受的目標(biāo)。ATC 40沒有給出一般的性能目標(biāo),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(biāo)性能,如普通建筑的目標(biāo)性能(結(jié)構(gòu)部分)可取表 5所示。 表5 ATC 40

10、的性能目標(biāo) 地震風(fēng)險結(jié)構(gòu)類型新建筑普通加固高人口密度最少修理時間50%/50年10%/50年破壞控制生命安全生命安全立即入住5%/50年結(jié)構(gòu)穩(wěn)定生命安全表6 日本研究報告的性能目標(biāo)地震風(fēng)險性能水平正常使用易修復(fù)生命安全EaAEbABEcABCEdBCEeC表6中,地震作用從Ea到Ee,其強度依次減小,Ed和Ee相當(dāng)于中等烈度的地震,Ec相當(dāng)于高烈度地震。根據(jù)實際情況,可以采用不同的目標(biāo)性能,如AAA、AAB、ABC、BBA、BBB、BBC、CCA、CCB、CCC,其中,目標(biāo)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)

11、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),延性(ductility) 均與變形有關(guān)剛度(變形) 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 DB

12、SD)l 方法分類直接基于位移的抗震設(shè)計方法(Direct Displacement-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 基本方法輸入地震波 給定 計算位移 建立具有不同阻尼比的位移反應(yīng)譜l 規(guī)范加速度反應(yīng)譜 位移反應(yīng)譜 (2)選擇一個初始位移形狀(一開始,就將位移作為設(shè)計變量)l 根據(jù)層間位移限值確定 l 取第一振型的振型曲線l 取某種荷載作用下的側(cè)移曲

13、線(3)計算等效單自由度體系的目標(biāo)位移: 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:(5)確定結(jié)構(gòu)的等效阻尼比。由延性系數(shù)和結(jié)構(gòu)體系按圖1.2(c)確定。 (6)根據(jù)等效位移及等效阻尼比,由位移反應(yīng)譜確定等效周期。(7)確定等效單自由度體系的等效剛度: (1.5)式中,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,確定。(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)的設(shè)計基底剪力Vb由下式確定: (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

14、式計算:(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(zhǔn)地震作用下預(yù)期的位移計算地震作用,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。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

15、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(fù)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)在任意高度處的側(cè)移可表示為 如令,則上式可改寫為 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),任意高度處的側(cè)移為 (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,相應(yīng)的目標(biāo)側(cè)移曲線為 (6)式中,截面的屈服曲率可

16、按下式確定10: (7)其中,為配置在剪力墻截面兩端的縱向受力鋼筋的屈服應(yīng)變;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),任意高度處的側(cè)移為 (8)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代入式(8),得到相應(yīng)的目標(biāo)側(cè)移曲線;為框架-剪力墻結(jié)構(gòu)的剛度特征值。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 將能力曲線與需求曲線置于同一坐標(biāo)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(C

17、apacity Spectrum Method)l 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(biāo)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(biāo),加速度為縱坐標(biāo),稱為ADRS(Acceleration Displacement Response Spectrum)格式。 “能力譜”和“需求譜”應(yīng)分別稱之為“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)

18、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det,可以得到結(jié)構(gòu)的基底剪力-頂點位移曲線圖6.1.3(a)。圖6.1.3 能力譜法2)建立能力曲線。假定結(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-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-譜位移曲線(ADRS格式)圖6.1.3(b): (6.1.28)式中: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??刹捎脙煞N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(biāo)準(zhǔn)的加速度反應(yīng)譜(譜)轉(zhuǎn)化為譜曲線(ADRS格式): (6.1.29)式中,為結(jié)構(gòu)自振周期。對于不同的阻尼比,可以按式(6.1.2

溫馨提示

  • 1. 本站所有資源如無特殊說明,都需要本地電腦安裝OFFICE2007和PDF閱讀器。圖紙軟件為CAD,CAXA,PROE,UG,SolidWorks等.壓縮文件請下載最新的WinRAR軟件解壓。
  • 2. 本站的文檔不包含任何第三方提供的附件圖紙等,如果需要附件,請聯(lián)系上傳者。文件的所有權(quán)益歸上傳用戶所有。
  • 3. 本站RAR壓縮包中若帶圖紙,網(wǎng)頁內(nèi)容里面會有圖紙預(yù)覽,若沒有圖紙預(yù)覽就沒有圖紙。
  • 4. 未經(jīng)權(quán)益所有人同意不得將文件中的內(nèi)容挪作商業(yè)或盈利用途。
  • 5. 人人文庫網(wǎng)僅提供信息存儲空間,僅對用戶上傳內(nèi)容的表現(xiàn)方式做保護處理,對用戶上傳分享的文檔內(nèi)容本身不做任何修改或編輯,并不能對任何下載內(nèi)容負(fù)責(zé)。
  • 6. 下載文件中如有侵權(quán)或不適當(dāng)內(nèi)容,請與我們聯(lián)系,我們立即糾正。
  • 7. 本站不保證下載資源的準(zhǔn)確性、安全性和完整性, 同時也不承擔(dān)用戶因使用這些下載資源對自己和他人造成任何形式的傷害或損失。

評論

0/150

提交評論