基于性態(tài)的結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計展望

基于性態(tài)的結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計展望【摘要】隨著經(jīng)濟的發(fā)展和技術(shù)水平的提高，人們對建筑物的要求越來越高，高層建筑巨大殼體結(jié)構(gòu)等等越來越多的容入到我們的生活，這對抗震設(shè)計來說也是心的挑戰(zhàn)，如何建造既經(jīng)濟又安全可靠的建筑物是社會的需要。還有一些情況是，按照客戶的要求來進(jìn)行抗震設(shè)計，滿足客戶的需要，也是我們面臨的一個問題?，F(xiàn)在人們提出了，基于性態(tài)的抗震設(shè)計，值得我們更深入的學(xué)習(xí)研究?！娟P(guān)鍵字】抗震設(shè)計基于性態(tài)設(shè)計方法1.1基于性態(tài)的結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計方法所謂基于性態(tài)的抗震設(shè)計是指，根據(jù)建筑物的重要性和用途，并考慮建筑物處場地的地震強度及其能接受的地震破壞水平、建造費用和震后修復(fù)費用及投資者的經(jīng)濟實力，選擇合適的結(jié)構(gòu)性態(tài)設(shè)計目標(biāo)：并根據(jù)不同的性態(tài)目標(biāo)提出不同的抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)，使設(shè)計的建筑在未來地震中具備預(yù)期功能。因此，基于性態(tài)的抗震設(shè)計方法比只強調(diào)保障生命安全的單一設(shè)防目標(biāo)的抗震設(shè)計方法更為科學(xué)和合理，已成為抗震設(shè)計理論新的發(fā)展方向。2.1抗震設(shè)計方法簡介為了更好的了解基于性態(tài)的抗震設(shè)計方法，先來了解一下抗震設(shè)計的發(fā)展歷程，以及當(dāng)代實際工程中用到的方法。2.1.1靜力理論階段靜力法的基本假設(shè)前提是,結(jié)構(gòu)物為理想剛體,其最大加速度就等于地震動的最大地面加速度,這種假設(shè)對于低矮的單層和多層磚混結(jié)構(gòu)房屋而言是合理的。靜力理論假定在地震作用下的結(jié)構(gòu)是剛性的，沒有考慮結(jié)構(gòu)的動力效應(yīng)和場地差別對建筑結(jié)構(gòu)的影響，設(shè)計方法比較粗略。2.1.2反應(yīng)譜方法反應(yīng)譜是指地震波作用在單質(zhì)點體系上，求得的位移、速度或加速度等反應(yīng)的最大值與單質(zhì)點體系自振周期間的關(guān)系。反應(yīng)譜理論假設(shè):結(jié)構(gòu)是彈性的,地震反應(yīng)可以采用疊加原理來進(jìn)行振型組合;結(jié)構(gòu)所有支座處的地震動完全相同,基礎(chǔ)與土層之間無相互作用;結(jié)構(gòu)的最不利地震反應(yīng)等于它的最大地震反應(yīng),而與其它動力反應(yīng)參數(shù)無關(guān)。2.1.3動力理論階段其本質(zhì)是建立構(gòu)件的恢復(fù)力模型、結(jié)構(gòu)的簡化計算模型，并得到與設(shè)計反應(yīng)譜相匹配的地面運動加速度時程后，直接求解動力方程。采用數(shù)值積分法，進(jìn)行連續(xù)分段處理，最終求得在低周反復(fù)地震波下，結(jié)構(gòu)在每一時刻的加速度、速度和位移的動力時程。在彈性范圍內(nèi)考慮強度極限，在非線性范圍內(nèi)考慮變形極限和能量損耗，以具體體現(xiàn)“小震不壞、中震可修、大震不倒”的要求。3.1基于結(jié)構(gòu)性能的抗震設(shè)計理論20世紀(jì)90年代初，美國學(xué)者率先提出了基于性能的結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計概念（Performance-BasedSeismicDe-sign簡稱PBSD），PBSD理論提出多目標(biāo)的設(shè)計理念，它所確定的抗震功能目標(biāo)既要保證生命安全又要考慮到經(jīng)濟財產(chǎn)損失。因此，在設(shè)計中應(yīng)當(dāng)進(jìn)行全面費用分析，選擇經(jīng)濟效果最佳的抗震設(shè)計方案。該理論更強調(diào)個性設(shè)計，結(jié)構(gòu)功能目標(biāo)可按實際需要、用戶要求、投資能力選擇不同等級的設(shè)防目標(biāo)，并有利于減隔震技術(shù)和高強高性能砼等新材料的推廣應(yīng)用。同時，結(jié)構(gòu)的抗震能力是按選定的抗震功能目標(biāo)進(jìn)行設(shè)計，具有可預(yù)見性。基于性態(tài)的抗震設(shè)計理論主要包括：確定地震設(shè)防水準(zhǔn)、選擇合適的抗震性態(tài)目標(biāo)、研究抗震性態(tài)的分析方法和研究基于性態(tài)的抗震設(shè)計方法等。地震設(shè)防水準(zhǔn)是指未來可能作用于場地的地震作用的大小。為了使結(jié)構(gòu)滿足多水準(zhǔn)的設(shè)防要求，需要根據(jù)不同重現(xiàn)期選擇所有可能發(fā)生的，對應(yīng)不同等級的用于結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計的地震動參數(shù)。結(jié)構(gòu)抗震性態(tài)的目標(biāo)是指針對某一地震設(shè)防水準(zhǔn)而期望達(dá)到的結(jié)構(gòu)抗震性能等級。基于性態(tài)的抗震設(shè)計應(yīng)既有效地減輕工程結(jié)構(gòu)的地震破壞，減少經(jīng)濟損失和人員傷亡，又能合理地使用有線的資金，保障結(jié)構(gòu)在地震作用下的使用功能。因此，結(jié)構(gòu)抗震性態(tài)目標(biāo)的確定應(yīng)綜合考慮場地和結(jié)構(gòu)的功能與重要性、投資與效益、震后損失與恢復(fù)重建、社會效益以及業(yè)主的承受能力等諸多因素。美國學(xué)者建議將結(jié)構(gòu)抗震性態(tài)目標(biāo)分為基本性能目標(biāo)、重要性能目標(biāo)和安全臨界性能目標(biāo)等三個等級?？拐鹦詰B(tài)分析方法主要包括線性靜力分析方法、線性動力分析方法、非線性靜力分析方法和非線性動力分析方法。非線性靜力分析又稱靜力彈塑性（Push-over）分析，是一種簡化的結(jié)構(gòu)彈塑性分析方法，其主要原理是：在結(jié)構(gòu)上施加恒定荷載的同時，逐級增加往復(fù)荷載并計算結(jié)構(gòu)在各級荷載作用下的變形和內(nèi)力。當(dāng)加荷至某些構(gòu)件進(jìn)入塑性后，整個結(jié)構(gòu)的特性發(fā)生改變，通過修改結(jié)構(gòu)剛度矩陣并重新進(jìn)行計算，以調(diào)整所施加的往復(fù)荷載的大小和分布。這樣就可得到結(jié)構(gòu)在往復(fù)靜力作用下的彈塑性性能。該方法的主要用途是檢驗新建結(jié)構(gòu)及評估現(xiàn)有結(jié)構(gòu)的性能是否滿足不同強度地震下的性態(tài)目標(biāo)。非線性動力分析法又稱為彈塑性時程分析法，在建立構(gòu)件的恢復(fù)力模型、結(jié)構(gòu)的簡化計算模型，并得到與設(shè)計反應(yīng)譜相匹配的地震波后，采用逐步積分法求出結(jié)構(gòu)在每一時刻的彈塑性地震響應(yīng)。非線性靜力分析方法和非線性動力分析方法是我國《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》（GB50011-2010）規(guī)定的用于對不規(guī)則且具有明顯薄弱部位可能導(dǎo)致地震時嚴(yán)重破壞的建筑結(jié)構(gòu)進(jìn)行罕遇地震作用下的彈塑性變形分析時所采用的方法?；谛詰B(tài)的抗震設(shè)計方法主要包括基于位移的設(shè)計方法、綜合設(shè)計法、能力設(shè)計法。基于位移的抗震設(shè)計法（Displacement-BasedSeismicDesign）是指用量化的位移作為設(shè)計指標(biāo)，針對不同地震設(shè)防水準(zhǔn)，制定相應(yīng)的目標(biāo)位移，并通過設(shè)計，使結(jié)構(gòu)子啊給定水準(zhǔn)地震作用下達(dá)到預(yù)先指定的目標(biāo)位移，從而控制結(jié)構(gòu)的抗震性能。該方法是由美國加州大學(xué)伯克利分校得Mohele和Priestly等人提出的，最早應(yīng)用于橋梁的抗震設(shè)計中。綜合設(shè)計法（ComprehensiveDesignApproach）是由美國學(xué)者Bertero等人提出來的，該方法首先確定業(yè)主所能接受的最低性態(tài)目標(biāo)，在對場地的適宜性做出評價后，進(jìn)行總體概念設(shè)計和綜合數(shù)值設(shè)計，最終確定結(jié)構(gòu)和非結(jié)構(gòu)構(gòu)件的尺寸。能量設(shè)計法（EnergyDesignApproach）認(rèn)為，結(jié)構(gòu)的破壞程度是由地震輸入的總能量和結(jié)構(gòu)耗散能量的能力決定的。通過控制結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的耗能能力，可達(dá)到控制整個結(jié)構(gòu)抗震性能的目的。該方法可用于估計接哦股的潛在破壞程度并用于結(jié)構(gòu)的消能減振設(shè)計。4.結(jié)語基于性態(tài)的抗震設(shè)計理論的研究是一項有重要意義的課題,它的研究與發(fā)展有待國內(nèi)外土木工程界和地震工程學(xué)界的共同努力。目前需要研究的問題有:(1)建立合理的性態(tài)設(shè)計理論框架;(2)關(guān)于地震危險性和設(shè)防地震水準(zhǔn)的研究;(3)結(jié)構(gòu)抗震性態(tài)水準(zhǔn)的劃分;(4)建立合理的可以反映結(jié)構(gòu)反應(yīng)的性能指標(biāo);(5)完善設(shè)計反應(yīng)譜;(6)基于性態(tài)的設(shè)計方法的改進(jìn)和新的設(shè)計方法的提出;(7)對結(jié)構(gòu)性態(tài)進(jìn)行準(zhǔn)確的評估;(8)結(jié)構(gòu)性態(tài)的明確說明;(9)新型結(jié)構(gòu)和特殊結(jié)構(gòu)(如隔震或耗能減震結(jié)構(gòu))的基于性態(tài)