高鋼塑形設(shè)計(jì)與抗震作業(yè)

高等鋼結(jié)構(gòu)理論塑性設(shè)計(jì)與抗震性能作業(yè)第三章塑性設(shè)計(jì)3.1b簡(jiǎn)述剪力和鋼材應(yīng)力-應(yīng)變曲線強(qiáng)化對(duì)受彎截面的極限抗彎承載力的影響。答：1、剪力對(duì)受彎截面的極限抗彎承載力的影響定性分析由于剪力的存在，截面上同時(shí)存在正應(yīng)力σ和剪應(yīng)力τ，此時(shí)由Mises屈服準(zhǔn)則232f23f2可知，當(dāng)截面上存在剪力時(shí)，至少有一部分正應(yīng)力還未達(dá)y vy到f時(shí)就已完全進(jìn)入塑性，此時(shí)截面的極限彎矩為：yM(x,y)ydAfydAM y p即剪力的存在降低了受彎截面的極限抗彎承載力。以簡(jiǎn)化模型3進(jìn)行理論分析對(duì)同時(shí)承受彎矩和剪力作用的鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件，根據(jù)Mises條件，剪應(yīng)力和正應(yīng)力都對(duì)材料進(jìn)入塑性有影響，按照理想彈塑性模型，截面能承受的彎矩將低于塑性彎矩M。對(duì)雙軸對(duì)稱工字型截面，若彎矩繞x軸作用，剪力沿y軸作用，當(dāng)翼P緣在正應(yīng)力作用下完全進(jìn)入塑性時(shí)，腹板的應(yīng)力分布將如圖3.1.1所示，圖3.1.1工字型鋼腹板應(yīng)力分布（簡(jiǎn)化模型3a）其函數(shù)表達(dá)式為：fycosC12y/hwfy/3sinC12y/hw上式滿足Mises屈服條件，式中y為腹板上任一點(diǎn)距中和軸的距離；h為腹w板高；C為系數(shù)，與截面上的剪力彎矩比和截面高度有關(guān)，可在0至/2區(qū)間內(nèi)取值。當(dāng)C大于/2，截面上的剪力很大，腹板中央出現(xiàn)純剪切區(qū)域，這時(shí)腹板上應(yīng)力分布如圖3.1.2所示。圖3.1.2出現(xiàn)純剪區(qū)的腹板應(yīng)力分布圖在應(yīng)力和剪應(yīng)力并存的區(qū)域，有 2yhhh fcosC1 ssyw y hwhs2 2 h 0y2s 2yhh h fsinC1s syw vy hwhs fvy式中h為純剪區(qū)高度，0hh。 s s w2 2h ys 2 根據(jù)圖3.3.2中的應(yīng)力分布，可以分別求得截面彎矩M 和剪力Q的表達(dá) psx psy式為MMM122cosC/C2psxpxpwxQQ1cosC/C psy py 式中Mpx、Mpwx分別為截面對(duì)強(qiáng)軸的塑性彎矩和腹板對(duì)強(qiáng)軸的塑性彎矩；Qpy為腹板塑性剪力，按腹板面積與屈服剪應(yīng)力的乘積計(jì)算。當(dāng)C/2時(shí)，Q0.637Q，MM0.189M；在工字形截面寬 psy py psx px pwx高比為0.5、外伸翼緣寬厚比為8、腹板高厚比為70、翼緣厚度與腹板厚度比為1.25時(shí)、有M/M0.275，M/M0.948，可見這種情況下剪力對(duì)截pwxpxpsxpx面抗彎強(qiáng)度的影響并不大。但跨高比很小的深梁中，剪力可能達(dá)到屈服剪力值，在上述例子中，M/M0.275，表明在這種情況下，計(jì)算截面極限彎psx px矩時(shí)應(yīng)當(dāng)考慮剪力的影響。考慮到剪力對(duì)受彎截面的極限抗彎承載力的影響，我國(guó)鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范中明確規(guī)定（GB50017-201X報(bào)批稿）：塑性鉸區(qū)承受的軸力不應(yīng)大于軸向塑性承載力(Af)。y2、應(yīng)力-應(yīng)變曲線強(qiáng)化對(duì)受彎截面的極限抗彎承載力的影響鋼結(jié)構(gòu)材料的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系，通常假定為理想彈塑性模型(圖3.1.3a中實(shí)線)。在僅受彎矩的梁構(gòu)件中，截面內(nèi)力的發(fā)展經(jīng)歷圖3.1.3(b)所示的三個(gè)階段，即邊緣應(yīng)力未達(dá)到屈服點(diǎn)，或僅邊緣應(yīng)力達(dá)到屈服點(diǎn)；截面邊緣一部分應(yīng)力達(dá)到屈服點(diǎn)；整個(gè)截面都達(dá)到極限狀態(tài)。按理論模型，當(dāng)全截面應(yīng)力都達(dá)到屈服點(diǎn)之后，應(yīng)變將可無限發(fā)展，因而，截面內(nèi)力達(dá)到塑性彎矩M后，承載能力無法繼p續(xù)提高，而截面曲率趨向無窮，如圖3.1.3(c)所示。實(shí)際受彎鋼桿件的變形并非如此。結(jié)構(gòu)鋼材中的軟鋼(常用的如Q235和Q345鋼及相當(dāng)鋼種)的應(yīng)力應(yīng)變曲線都有強(qiáng)化階段，如圖3.1.3(a)虛線所示。受彎截面的邊緣應(yīng)變進(jìn)入強(qiáng)化段后，受彎截面的應(yīng)力分布如圖3.1.3(d)所示，截面的彎矩-曲率曲線如圖3.1.3(c)中虛線所示。圖3.1.3(c)中虛線保持著向上發(fā)展的趨勢(shì)。實(shí)際桿件的情況則遠(yuǎn)比假定的理論模式復(fù)雜。實(shí)際鋼構(gòu)件由板件構(gòu)成，桿件有一定長(zhǎng)度，因此板件的失穩(wěn)、桿件的失穩(wěn)、連接的失效等，都會(huì)導(dǎo)致受彎桿件承載力的退化或喪失。對(duì)實(shí)際構(gòu)件，曲率增大到一定程度，就會(huì)出現(xiàn)抗彎承載力下降。(a)(b)(a)(b)(c)(d)圖3.1.3鋼材應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系和彎矩-曲率關(guān)系(a)圖為理想彈塑性應(yīng)力分布；(c)圖為實(shí)際的彈塑性應(yīng)力分布由此可見，一定范圍內(nèi)的應(yīng)力-應(yīng)變曲線硬化對(duì)受彎截面抗彎承載能力的發(fā)揮具有幫助作用。3.2b試用簡(jiǎn)單塑性分析法，求出圖3.2c所示門式剛架的極限荷載。梁柱截面可以假設(shè)不相同。解：1、鋼結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)單塑性理論是指：假定鋼材為理想彈塑性體，采用一階理論分析，不考慮二階效應(yīng)；保證在形成機(jī)構(gòu)前不發(fā)生側(cè)扭屈曲破壞，其組成板件不發(fā)生局部屈曲破壞；荷載按比例增加，內(nèi)力計(jì)算時(shí)考慮產(chǎn)生塑性鉸，塑性鉸達(dá)到一定數(shù)量后結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化為破壞機(jī)構(gòu)體系。2、采用機(jī)構(gòu)法進(jìn)行塑性極限分析。（設(shè)柱截面的極限彎矩為M，梁截面的極限ua彎矩為M）ub梁機(jī)構(gòu) 圖3.2.1a梁機(jī)構(gòu)一對(duì)于圖3.2.1a所示的梁機(jī)構(gòu)，虛功方程為： 2lqM( )2ubx2lx 2M 1 1解得：qub( )cr l x2lx由上限定理（極限荷載為可破壞荷載的極小者），上式對(duì)x求導(dǎo)并另導(dǎo)數(shù)為零 dq 2M 1 1 crub[ ]0 dx l x2(2lx)24M解得：xl，即qub cr l2 圖3.2.1b梁機(jī)構(gòu)二對(duì)于圖3.2.1b所示的梁機(jī)構(gòu)，同理可求得極限荷載為：2(MM) q ua ub cr l2側(cè)移機(jī)構(gòu) 圖3.2.2側(cè)移機(jī)構(gòu)對(duì)于圖3.2.2所示的側(cè)移機(jī)構(gòu)，虛功方程為：1.5l0.4ql4Mua6.67M得quacr l2組合機(jī)構(gòu) 圖3.2.3a組合機(jī)構(gòu)一對(duì)于圖3.2.3a所示的組合機(jī)構(gòu)，虛功方程為：x x 0.6ql1.5lq2lx2MM( )M( )ua ub 2lx ua 2lx2M2(MM)解得：quauaubcrl(x0.6l)(2lx)(x0.6l) 2lc12.6lc1 M 對(duì)x求導(dǎo)得當(dāng)x 時(shí)，其中c ua c (MM)l ua ub極小值為2M 2c(MM)q ua ua ub cr 2lc12.6lc1 2lc12.6lc1l( 0.6l)(2.6lc11)( 0.6l)c c 圖3.2.3b組合機(jī)構(gòu)二對(duì)于圖3.2.3b所示組合機(jī)構(gòu)，虛功方程為：梁上x 0.6ql1.5lq2lx2M2M( )ua ub 2lx同理可求得極限荷載為： 2lc12.6lc1 M當(dāng)x11時(shí)，其中cuac 12Ml 1 ub2M 4cMq ua ub cr 2lc12.6lc1 2lc12.6lc1l(1 1 0.6l)(2.6lc11)(1 1 0.6l)c 1 c 1 13、結(jié)果分析4M 當(dāng)MMM時(shí)，梁機(jī)構(gòu)極限荷載為q ；側(cè)移機(jī)構(gòu)極限荷載為 ua ub cr l2 6.67M 3.747M 3.747Mq；組合機(jī)構(gòu)極限荷載為q，綜上極限荷載為q。 cr l2 cr l2 cr l23.3d塑性設(shè)計(jì)與彈性設(shè)計(jì)的基本區(qū)別？塑性設(shè)計(jì)有哪些方法、各自的適用范圍如何？答：1塑性設(shè)計(jì)與彈性設(shè)計(jì)的基本區(qū)別對(duì)于延性材料，簡(jiǎn)單的以一個(gè)截面的極限狀態(tài)作為整根桿件的極限狀態(tài)，以一根桿件的極限狀態(tài)作為整個(gè)結(jié)構(gòu)的極限狀態(tài)的設(shè)計(jì)判斷標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)計(jì)原則為彈性設(shè)計(jì)原則。對(duì)于靜定結(jié)構(gòu)，由于沒有多與約束，用彈性設(shè)計(jì)比較合理。對(duì)于超靜定結(jié)構(gòu)，由于有多余約束的存在，當(dāng)某一個(gè)截面或桿件達(dá)到塑性時(shí)，結(jié)構(gòu)還能繼續(xù)承擔(dān)荷載，直至其他的截面或桿件達(dá)到塑性，使結(jié)構(gòu)變成機(jī)構(gòu)，達(dá)到該結(jié)構(gòu)的承載力的極限，即為塑形設(shè)計(jì)原則。對(duì)于靜定結(jié)構(gòu)，出現(xiàn)塑性鉸，結(jié)構(gòu)即告失效。然而對(duì)于超靜定結(jié)構(gòu)，出現(xiàn)塑性鉸之后，會(huì)發(fā)生塑性內(nèi)力重分布，使結(jié)構(gòu)能夠繼續(xù)承擔(dān)荷載，直至出現(xiàn)的塑性鉸使結(jié)構(gòu)變成機(jī)構(gòu)，結(jié)構(gòu)才被認(rèn)為破壞。在設(shè)計(jì)中，應(yīng)根據(jù)結(jié)構(gòu)的所處的位置和重要程度進(jìn)行彈性和塑形設(shè)計(jì)：重要的結(jié)構(gòu)和構(gòu)件采用彈性設(shè)計(jì)，次要的結(jié)構(gòu)和構(gòu)件采用塑形設(shè)計(jì)原則。在梁板結(jié)構(gòu)中，主梁多為彈性設(shè)計(jì)原則，板與次梁多采用塑形設(shè)計(jì)原則。由于塑性設(shè)計(jì)時(shí)會(huì)考慮材料的塑性變形，因此實(shí)際結(jié)構(gòu)會(huì)產(chǎn)生較大的變形和裂縫，因此使用時(shí)不允許出現(xiàn)裂縫、受侵蝕作用的結(jié)構(gòu)、輕質(zhì)混凝土與特殊混凝土結(jié)構(gòu)、預(yù)應(yīng)力與疊合構(gòu)件一般不允許采用塑形設(shè)計(jì)原則。按塑性理論計(jì)算的承載力稍大于按彈性理論計(jì)算的承載力，因此直接承擔(dān)動(dòng)荷載的結(jié)構(gòu)也不應(yīng)按塑性設(shè)計(jì)原則。彈性設(shè)計(jì)法是以結(jié)構(gòu)構(gòu)件某一截面上的邊緣纖維應(yīng)力達(dá)到屈服強(qiáng)度時(shí)的狀態(tài)，作為結(jié)構(gòu)構(gòu)件的承載力極限狀態(tài)。塑性設(shè)計(jì)法建立在充分利用鋼材所具有的塑性變形能力的基礎(chǔ)上。當(dāng)作用在超靜定結(jié)構(gòu)上的荷載達(dá)到一定數(shù)值時(shí)，構(gòu)件中的某一截面全部進(jìn)入塑性，此時(shí)荷載雖繼續(xù)增加，但在該截面上的內(nèi)力矩并不增加，并在此力矩作用下使該截面轉(zhuǎn)動(dòng)，即形成塑性鉸；結(jié)構(gòu)因該截面的轉(zhuǎn)動(dòng)，使結(jié)構(gòu)內(nèi)分布的內(nèi)力進(jìn)行重新調(diào)整（即內(nèi)力重分配），直到整個(gè)結(jié)構(gòu)形成一定數(shù)量的塑性鉸，結(jié)構(gòu)便轉(zhuǎn)化為不穩(wěn)定狀態(tài)，即形成破壞機(jī)構(gòu)，便達(dá)到塑性設(shè)計(jì)的承載力極限狀態(tài)，但在正常使用情況下，一般不可能到達(dá)此種狀態(tài)。2塑性分析的基本方法簡(jiǎn)單塑性理論鋼結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)單塑性理論是指：假定鋼材為理想彈塑形體，采用一階理論分析，不考慮二階效應(yīng)；保證在形成機(jī)構(gòu)前不發(fā)生側(cè)扭屈曲破壞，其組成板件不發(fā)生局部屈曲破壞；荷載按比例增加，內(nèi)力計(jì)算時(shí)考慮產(chǎn)生塑性鉸，塑性鉸達(dá)到一定數(shù)量后結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化為破壞機(jī)構(gòu)體系。鑒于塑性設(shè)計(jì)與彈性設(shè)計(jì)相比，強(qiáng)度儲(chǔ)備較低，尤其是荷載反復(fù)作用的情況，如重復(fù)卸載與加載過程中，變形會(huì)不斷加大，因此在塑性設(shè)計(jì)中，不能采用與彈性設(shè)計(jì)相同的抗力分項(xiàng)系數(shù)，而應(yīng)適當(dāng)加大，規(guī)范規(guī)定，在塑性設(shè)計(jì)時(shí)，鋼材和連接的強(qiáng)度設(shè)計(jì)值應(yīng)乘以折減系數(shù)0.9。剛-塑性分析方法剛塑性分析應(yīng)滿足以下三個(gè)條件：平衡條件：作用在整個(gè)結(jié)構(gòu)或任意部分的自由體上的力和力矩的總和應(yīng)為零。形成機(jī)構(gòu)條件：形成足夠數(shù)目的塑性鉸，用以破壞結(jié)構(gòu)的連續(xù)性使結(jié)構(gòu)整體或一部分形成機(jī)構(gòu)。全塑性彎矩條件：以截面的全塑性彎矩作為極限彎矩，任何截面都無法超越此極限。此處涉及三個(gè)定理，分別是下限定理、上限定理和唯一性定理。下限定理指在滿足平衡條件和全塑性彎矩條件的彎矩分布的基礎(chǔ)上，所求得的結(jié)構(gòu)荷載必小于或等于塑性極限荷載。上限定理指在假定機(jī)構(gòu)基礎(chǔ)上所算得的結(jié)構(gòu)荷載，于或等于塑性極限荷載。上限定理指在假定機(jī)構(gòu)基礎(chǔ)上所算得的結(jié)構(gòu)荷載，大于或等于塑性極限荷載。唯一性定理是指同時(shí)滿足平衡、形成機(jī)構(gòu)和全塑性彎矩等三個(gè)條件的荷載，就是結(jié)構(gòu)的塑性極限荷載。剛-塑性分析的基本方法包括靜力法、機(jī)構(gòu)法和彎矩平衡法。(a)極限平衡法（靜力法）圖3.3靜力法以下限定理為基礎(chǔ)，目的在于尋求一個(gè)既滿足平衡條件、又符合全塑性彎矩條件（M<=Mp）的彎矩圖。相應(yīng)于這個(gè)彎矩圖的荷載，僅為結(jié)構(gòu)塑性破壞荷載的下限。僅當(dāng)彎矩達(dá)到Mp值（亦即形成塑性鉸）的截面數(shù)目，足以使結(jié)構(gòu)變成機(jī)構(gòu)時(shí)，這個(gè)荷載才是真正的塑性破壞荷載。極限平衡法適用于超靜定次數(shù)較低的梁和剛架。(b)機(jī)構(gòu)法破壞機(jī)構(gòu)法以上限定理為基礎(chǔ)。當(dāng)不考慮平衡方面的要求，而只考慮機(jī)動(dòng)與屈服條件，用上限定理求出荷載的上限解。它的任務(wù)是：從所有可能的破壞機(jī)構(gòu)中，選出相應(yīng)于最小塑性極限荷載的一個(gè)機(jī)構(gòu)，便是真正的破壞機(jī)構(gòu)，這個(gè)最小塑性極限荷載即真正的塑性破壞荷載。作為校核，這個(gè)相應(yīng)破壞機(jī)構(gòu)的彎矩圖應(yīng)處處不超過Mp。在實(shí)際設(shè)計(jì)中，外荷載是已知值，Mp是所要求的未知值。這時(shí)上限定理相當(dāng)于：在所有可能的機(jī)構(gòu)中，相應(yīng)于最大Mp值的機(jī)構(gòu)是真正的破壞機(jī)構(gòu)。(c)彎矩平衡法尋找一個(gè)與外荷載平衡的彎矩分布方案，構(gòu)件的截面即按這種彎矩分布確定。事實(shí)上，可以找到許多個(gè)彎矩分布方案，其中每一個(gè)分布方案都可以和外荷載平衡。在實(shí)際設(shè)計(jì)中，可以選用導(dǎo)致最小結(jié)構(gòu)重量的方案，因?yàn)樽钚≈亓亢徒?jīng)濟(jì)方案是密切相關(guān)的。彈-塑性分析方法理想彈塑性方法適用于荷載小增量的情況下，隨著荷載的增加，塑性鉸出現(xiàn)M在結(jié)構(gòu)中。理想彈塑性方法假定在達(dá)到y(tǒng)后，構(gòu)件的變形為線彈性變形，之后彎矩很快達(dá)MP，然后沒有經(jīng)過受拉強(qiáng)化階段而直接表現(xiàn)出完全塑性。軟件應(yīng)該能夠很容易的預(yù)測(cè)出塑性鉸的形成，交替和消失，甚至是卸載和反轉(zhuǎn)。最終的機(jī)制是真正的破壞機(jī)理（假設(shè)塑性鉸的旋轉(zhuǎn)方向與彎矩有關(guān)）。最終的機(jī)制與最低負(fù)載因子的機(jī)制相同，最低負(fù)載因子的機(jī)制可以通過剛-塑性方法得到。理想彈塑性方法適用范圍：理想彈塑性方法適用于荷載小增量的情況下。3.4c選擇一種或幾種有限元分析軟件，論述其可用于鋼框架結(jié)構(gòu)彈塑性分析或推覆分析的單元類型，并自選合適的計(jì)算模型，施加豎向荷載和水平荷載，進(jìn)行算例分析，通過Mises應(yīng)力云圖、應(yīng)變?cè)茍D、荷載-位移曲線等形式展示計(jì)算結(jié)果。答：1、選用的有限元軟件為ABAQUS，包含的單元類型有實(shí)體單元、梁?jiǎn)卧?、殼單元、桁架單元和剛性體單元等等，其中可用于鋼框架結(jié)構(gòu)彈塑性分析的單元類型有實(shí)體單元和梁?jiǎn)卧?。?shí)體單元簡(jiǎn)單地模擬部件中的一小塊材料，由于可以通過其任何一個(gè)表面與其他單元相連，因此實(shí)體單元就像建筑物中的磚或馬賽克中的瓷磚一樣，能夠用來構(gòu)建幾乎任何形狀、承受任意荷載的模型，故可采用六面體單元、四面體單元等來分析三維鋼框架結(jié)構(gòu)的彈塑性問題；梁?jiǎn)卧脕砟M一個(gè)方向的尺寸遠(yuǎn)大于另外兩個(gè)方向的尺寸，并且僅沿梁軸方向應(yīng)力比較顯著的構(gòu)件，適合用來模擬鋼框架結(jié)構(gòu)并可進(jìn)行彈塑性分析。其中線性梁和二次梁?jiǎn)卧试S剪切變形，并考慮了有限軸向應(yīng)變，既適合模擬細(xì)長(zhǎng)梁，也適合模擬短粗梁；三次梁?jiǎn)卧豢紤]剪切彎曲和假設(shè)小的軸向應(yīng)變，只適合模擬細(xì)長(zhǎng)梁。此外，由于鋼框架結(jié)構(gòu)細(xì)長(zhǎng)桿的特點(diǎn)，采用實(shí)體單元模擬時(shí)，節(jié)點(diǎn)和單元個(gè)數(shù)較多，計(jì)算量大，且精度提高不明顯，故一般可采用梁?jiǎn)卧M(jìn)行模擬。2、算例分析（考慮P-Δ效應(yīng)的二階彈塑性分析）模型參數(shù)鋼框架模型：?jiǎn)慰鐑蓪悠矫婵蚣軉卧愋停毫簡(jiǎn)卧牧媳緲?gòu)關(guān)系：采用理想彈塑性的本構(gòu)關(guān)系，屈服強(qiáng)度為235MPa，泊松比0.3。截面參數(shù)：工字型截面，翼緣：200x10，腹板：200x8。計(jì)算簡(jiǎn)圖： 圖3.4.1計(jì)算簡(jiǎn)圖結(jié)果分析Mises應(yīng)力云圖：圖3.4.2Mises應(yīng)力云圖圖3.4.3位移云圖荷載位移曲線：0.000.100.200.000.100.200.300.400.500.600.700.800.901.0000.0050.010.0150.020.0250.030.0350.040.0450.05P/PU位移荷載-位移曲線由于采用的是力加載，無法得到荷載位移曲線的下降段；若保持豎向均布荷載不變，水平荷載有位移控制加載，則可得到荷載位移曲線的下降段。結(jié)構(gòu)能量時(shí)程曲線圖3.4.6能量時(shí)程曲線通過觀察能量時(shí)程曲線可以發(fā)現(xiàn)，該曲線有5處明顯的轉(zhuǎn)折，此時(shí)出現(xiàn)了塑性鉸，最后能量突然下降表示結(jié)構(gòu)形成機(jī)構(gòu)，發(fā)生破壞。由此可以得到荷載與塑性鉸數(shù)量的關(guān)系，如下圖：0.30.40.30.40.50.60.70.80.91123456P/PU塑性鉸個(gè)數(shù)荷載與塑性鉸個(gè)數(shù)關(guān)系第四章抗震性能4.1c鋼支撐的滯回曲線有何特點(diǎn)？試采用梁?jiǎn)卧獊砟M鋼支撐的滯回性能，并闡述模擬的要點(diǎn)。答：鋼支撐可以增大結(jié)構(gòu)的抗側(cè)剛度，減小結(jié)構(gòu)的變形，提高結(jié)構(gòu)的承載能力，還可以大大提高結(jié)構(gòu)遭遇罕遇地震時(shí)的耗能能力。單個(gè)鋼支撐的滯回特性包括穩(wěn)定的受拉特性、受壓時(shí)發(fā)生屈曲且屈曲荷載不斷降低、受壓卸載剛度逐漸降低等復(fù)雜現(xiàn)象1、鋼支撐的滯回曲線特點(diǎn)鋼支撐可顯著增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的抗側(cè)剛度，同時(shí)也是主要的耗能部件。鋼支撐在往復(fù)變形中受到幾何、材料非線性影響,其滯回行為中包括多種復(fù)雜物理現(xiàn)象。單個(gè)鋼支撐的滯回特性包支撐受拉屈服、受壓屈曲、往復(fù)荷載下屈曲承載能力退化、循環(huán)切線剛度退化、塑性沿桿長(zhǎng)截面發(fā)展、塑性下板件的局部屈曲及低周疲勞失效等多種因素的影響。圖4.1.1單循環(huán)加載時(shí)支撐變形過程及滯回曲線如圖4.1.1所示是鋼支撐在軸力作用下的典型變形過程和單循環(huán)滯回曲線。由于支撐存在初始缺陷，其兩端施加的軸力會(huì)在跨中位置產(chǎn)生附加彎矩。在軸力到達(dá)A點(diǎn)之前，支撐處于彈性壓縮階段，承擔(dān)的軸力和跨中附加彎矩比例增加。當(dāng)跨中截面在壓彎共同作用下屈服時(shí)（如圖4.1.2所示），支撐在跨中位置將形成塑性鉸，宏觀上支撐開始發(fā)生屈曲現(xiàn)象(B點(diǎn))。圖4.1.2截面彎矩-軸力相關(guān)曲線圖4.1.3支撐多循環(huán)滯回曲線支撐屈曲后，塑性鉸的轉(zhuǎn)動(dòng)導(dǎo)致支撐側(cè)向變形增大，軸力產(chǎn)生的附加彎矩迅速增加，桿件的受壓承載力迅速下降(BC段)。從C點(diǎn)開始支撐進(jìn)入卸載和反向拉伸階段，支撐受壓屈曲后的卸載剛度明顯低于初始彈性剛度。拉伸到D點(diǎn)時(shí)跨中截面在拉彎共同作用下再次屈服并形成塑性鉸，但此時(shí)塑性鉸的轉(zhuǎn)動(dòng)方向與受壓時(shí)相反，支撐的側(cè)向變形不斷減小。隨著拉伸變形的不斷增加，支撐到達(dá)E點(diǎn)時(shí)接近全截面受拉屈服。EF段支撐進(jìn)入塑性拉伸變形階段，而在F點(diǎn)后支撐開始彈性卸載并進(jìn)入下一循環(huán)。由于包辛格效應(yīng)和殘留的側(cè)向變形，后一循環(huán)的支撐穩(wěn)定承載力將會(huì)明顯低于前一循環(huán)的。隨著循環(huán)次數(shù)的增加，塑性損傷逐漸累積，支撐的穩(wěn)定承載力、屈曲后軟化剛度和屈曲后卸載剛度等都將不斷降低。支撐典型的多循環(huán)滯回曲線見圖4.1.3所示。2、有限元模擬分析的要點(diǎn)單個(gè)鋼支撐滯回曲線模擬算例：模型參數(shù)：支撐長(zhǎng)為4m；工字型截面，翼緣：200x10，腹板：180x8。單元類型：三次梁?jiǎn)卧˙23）。材料本構(gòu)關(guān)系：理想彈塑性本構(gòu)關(guān)系，屈服強(qiáng)度為235MPa，泊松比0.3。加載方式：采用位移加載，幅值為0.05m，加載曲線如下圖：-1-0.8-1-0.8-0.6-0.4-0.200.20.40.60.81-2381318232833位移加載曲線圖4.1.4位移加載曲線模擬結(jié)果：圖4.1.5滯回曲線模擬要點(diǎn)總結(jié)：合理設(shè)置初始缺陷。在ABAQUS中可以通過修改關(guān)鍵字來添加初始缺陷，此外還可以橫向施加均布荷載來實(shí)現(xiàn)初始缺陷，但此時(shí)需注意施加的橫向荷載不能太大也不能太小，太大會(huì)導(dǎo)致構(gòu)件很快破壞從而不收斂，而太小構(gòu)件不會(huì)發(fā)生明顯的彎曲變形，滯回曲線就會(huì)變成一條直線。合理設(shè)置增量步的大小。增量步太大會(huì)導(dǎo)致計(jì)算很容易不收斂，而增量步太小則使計(jì)算量大大增加。采用位移加載的方式。如果采用力加載的方式，一但荷載超過桿件的臨界荷載就發(fā)生破壞導(dǎo)致放棄；而采用位移加載則沒有這個(gè)問題，所以更容易收斂。（4）單元類型宜采用三次梁?jiǎn)卧?。因?yàn)锳BAQUS中三次梁?jiǎn)卧獮镋uler-Bernoulli梁?jiǎn)卧瑔卧孛嬖谧冃芜^程中與軸線保持垂直，不考慮剪切變形，因此采用三次梁?jiǎn)卧M細(xì)長(zhǎng)構(gòu)件更為有效。4.2b綜述適用于鋼構(gòu)件、鋼節(jié)點(diǎn)、鋼連接的幾種滯回模型和損傷指數(shù)。答：1滯回模型：(1)節(jié)點(diǎn)的滯回曲線模型圖4.2.1極值點(diǎn)導(dǎo)向模型圖4.2.2雙直線模型圖4.2.3捏攏模型(a)(b)(c)圖4.2.3軸心受力鋼構(gòu)件的滯回模型(a)為短柱模型；(b)為中柱模型；(c)為長(zhǎng)柱模型受彎構(gòu)件滯回曲線模型圖4.2.4受彎鋼構(gòu)件的滯回模型2損傷指數(shù)：為防止鋼結(jié)構(gòu)在罕遇地震下嚴(yán)重破壞或倒塌，需進(jìn)行鋼結(jié)構(gòu)彈塑性動(dòng)力時(shí)程分析，根據(jù)選定的地震波和結(jié)構(gòu)的恢復(fù)力特性，對(duì)結(jié)構(gòu)動(dòng)力時(shí)程分析采用逐步積分的方法計(jì)算地震過程中每一瞬時(shí)結(jié)構(gòu)的位移、速度、加速度、內(nèi)力反應(yīng)，從而可以分析結(jié)構(gòu)在彈性和非彈性階段的內(nèi)力變化及構(gòu)件破壞、直至倒塌的全過程。鋼材料存在損傷，隨著荷載的循環(huán)作用，在材料中的微裂紋、微空洞、剪切帶等細(xì)觀損傷萌生、串接、匯合、擴(kuò)展，從而形成損傷的動(dòng)態(tài)演化過程，置之影響鋼結(jié)構(gòu)的性能。為了定量描述結(jié)構(gòu)防止在地震中倒塌的安全度，提出了損傷指數(shù)的概念。結(jié)構(gòu)在其壽命周期內(nèi)所能承受的地震破壞總量的預(yù)測(cè)由損傷指數(shù)控制，而損傷指數(shù)由剛度、強(qiáng)度和延性控制。對(duì)延性而言，損傷指數(shù)分別從構(gòu)件級(jí)別、樓層級(jí)別、整體結(jié)構(gòu)級(jí)別代表了塑性鉸的塑性轉(zhuǎn)動(dòng)能力。構(gòu)件的損傷指數(shù)可以由所需所需塑性轉(zhuǎn)動(dòng)能力和可提供的塑性主動(dòng)能力之間的比值計(jì)算得出：Idmr/樓層損傷指數(shù)代表了樓層抵御地震破壞的能力IbI2/bIn n ds dm dm 1 1(3)整體損傷指數(shù)描述整個(gè)機(jī)構(gòu)的損傷指數(shù)，包括地震作用下的結(jié)構(gòu)整體性能Idgb sIdm2/b sIdmn n n n 1 1 1 14.3c你了解哪些減震裝置、減震構(gòu)造和減震結(jié)構(gòu)體系？請(qǐng)說明其特點(diǎn)、減震機(jī)理、應(yīng)用實(shí)例和應(yīng)用前景。答：1、減震裝置（阻尼器）1.1摩擦型阻尼器普通的摩擦阻尼器主要分為三層結(jié)構(gòu)，分別為中間鋼板和上下兩層的銅墊板。普通摩擦阻尼器主要是通過中間鋼板對(duì)上下兩層銅墊板的摩擦進(jìn)行耗能，中間鋼板與銅墊板通過螺栓進(jìn)行連接，在耗能過程中，可以通過緊固螺栓或放松螺栓來調(diào)節(jié)摩擦力的大小。螺栓的緊固力越大，摩擦阻尼器運(yùn)動(dòng)所產(chǎn)生的摩擦力越大。同時(shí)，在該結(jié)構(gòu)中采用鋼板和銅兩種材料，能夠降低阻尼器滑動(dòng)摩擦力的衰減，從而有效保證了阻尼器性能的充分發(fā)揮。摩擦阻尼器由于造價(jià)低廉，耗能能力較強(qiáng)而得到廣泛的應(yīng)用。摩擦阻尼器的研究始于20世紀(jì)70年代末。目前，研究開發(fā)的摩擦阻尼器主要有：Pall摩擦阻尼器、Sunito-me摩擦阻尼器、摩擦剪切鉸阻尼器、滑移型長(zhǎng)孔螺栓節(jié)點(diǎn)阻尼器。這些摩擦阻尼器都具有較好的庫(kù)侖特性，摩擦耗能明顯，可提供較大的附加阻尼。荷載大小、頻率對(duì)其性能影響不大，且構(gòu)造簡(jiǎn)單，取材容易，造價(jià)低廉，因而具有很好的應(yīng)用前景。我國(guó)目前關(guān)于摩擦阻尼器的工程應(yīng)用實(shí)例較少，如東北某政府大樓采用了Pall摩擦阻尼器進(jìn)行抗震加固，并通過模型擬動(dòng)力試驗(yàn)對(duì)加固效果進(jìn)行了驗(yàn)證。此外，比較典型的是云南省洱源縣振戎中學(xué)新建食堂中安裝了T形芯板摩擦耗能器該學(xué)校的語音教室和階梯教室也作為試點(diǎn)安裝了鋼板一摩擦耗能器。1.2金屬阻尼器金屬阻尼器主要是利用金屬材料在進(jìn)入塑性范圍后具有良好的滯回性能這一特點(diǎn)，在結(jié)構(gòu)發(fā)生變形前先行屈服，以耗散大部分地面運(yùn)動(dòng)傳遞給結(jié)構(gòu)的能量，從而達(dá)到減振的目的。由于金屬阻尼器具有滯回特性穩(wěn)定、耗能能力良好、構(gòu)造簡(jiǎn)單、造價(jià)低廉、對(duì)環(huán)境和溫度的適應(yīng)性強(qiáng)以及維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)，引起了國(guó)內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注，研究并開發(fā)出了包括軟鋼、鉛和形狀記憶合金等多種形式的金屬阻尼器，其中以軟鋼阻尼器的應(yīng)用最為廣泛。圖4.3.1金屬阻尼器最早得以應(yīng)用的金屬阻尼器是鋼管耗能裝置，在新西蘭一幢六層辦公樓的預(yù)制板的斜撐中被采用。在意大利那不勒斯的一幢兩層的鋼結(jié)構(gòu)懸掛建筑的核心筒和懸掛樓板之間采用了錐形軟鋼阻尼器。X形軟鋼阻尼器是一種形式簡(jiǎn)單的耗能裝置，比較典型的應(yīng)用是在墨西哥的三幢鋼筋混凝土的建筑加固工程中。1.3粘彈性阻尼器粘彈性阻尼器主要依靠粘彈性材料的往復(fù)剪切滯回變形耗散并吸收輸入到結(jié)構(gòu)中的能量，從而達(dá)到減小結(jié)構(gòu)反應(yīng)的目的。在反復(fù)的軸力作用下，鋼板產(chǎn)生相對(duì)位移，使得夾在鋼板間的粘彈性材料產(chǎn)生剪切變形，耗散了輸入結(jié)構(gòu)的外部能量。由于粘彈性阻尼器性能可靠、耗能能力強(qiáng)，其理論和試驗(yàn)研究也很成熟，并且國(guó)內(nèi)外都有規(guī)格化的產(chǎn)品，因此，在實(shí)際工程中應(yīng)用廣泛。粘彈性阻尼器最先用于對(duì)高層結(jié)構(gòu)的風(fēng)振控制，人們最為熟知的工程實(shí)例是美國(guó)世界貿(mào)易中心雙塔樓110層的高層建筑，每個(gè)塔樓大約安裝了10000個(gè)阻尼器。另一個(gè)著名的建筑是1982年在美國(guó)西雅圖建造的ColumbiaCenter大樓，安裝有260個(gè)粘彈性阻尼器。此外，粘彈性阻尼器還成功應(yīng)用于高聳結(jié)構(gòu)、大跨度結(jié)構(gòu)和橋梁結(jié)構(gòu)的風(fēng)振控制中。如我國(guó)哈爾濱的黑龍江電視塔、合肥市體育館、南京長(zhǎng)江二橋、上海的旱橋斜拉索橋，美國(guó)佛羅里達(dá)州的橋以及日本千葉市的體育館等。1.4粘滯阻尼器粘滯阻尼器的種類很多，依據(jù)阻尼力產(chǎn)生原理的不同可以歸納為兩類。一類是利用粘滯液體在敞開的容器中產(chǎn)生一定的位移來進(jìn)行耗能的阻尼器。對(duì)于這類阻尼器，由于構(gòu)件通過在粘滯流體中運(yùn)動(dòng)，使高濃度阻尼材料發(fā)生剪切變形，因此要求液體盡量粘稠以獲得最大限度的阻尼。另一類是利用粘滯液體在封閉的容器中產(chǎn)生一定的流速來進(jìn)行耗能的阻尼器。對(duì)于這類阻尼器，活塞要迫使粘滯液體在很短的時(shí)間內(nèi)通過孔隙或縫隙，以產(chǎn)生很大的阻尼力，因此，對(duì)這類阻尼器內(nèi)部工藝設(shè)計(jì)要求較高。第一類粘滯阻尼器中比較典型的有圓筒式阻尼器和粘滯阻尼墻。圓筒式阻尼器由大小兩個(gè)圓筒組成，大圓筒固定在下層樓面，小圓筒固定在上層樓板或梁底并浸在大圓筒內(nèi)。地震發(fā)生時(shí)，小圓筒在高濃度、高粘滯性的液體內(nèi)運(yùn)動(dòng)受到阻力使之變形，進(jìn)而耗散輸入結(jié)構(gòu)體系的能量，從而達(dá)到減震的目的。第二類粘滯阻尼器中最著名的是由美國(guó)Taylor公司生產(chǎn)的Taylor粘滯液體阻尼器，主要由缸體和活塞組成。該阻尼器的不銹鋼活塞桿頭周圍為環(huán)形間隙，阻尼器的另一端是為了抵償由于活塞桿運(yùn)動(dòng)對(duì)硅油容積的改變而特殊設(shè)計(jì)的調(diào)節(jié)油腔。當(dāng)活塞向內(nèi)運(yùn)動(dòng)時(shí)，部分活塞桿進(jìn)入油缸，硅油必然通過活塞頭的孔反向流動(dòng)，由于硅油的可壓縮性，此過程中將產(chǎn)生抗力，即所謂的剛度發(fā)展反之，活塞桿向外運(yùn)動(dòng)時(shí)，油缸內(nèi)產(chǎn)生空腔，硅油在油壓差的作用下流回此反復(fù)過程中產(chǎn)生阻尼力，可以耗散輸入結(jié)構(gòu)的能量，以控制結(jié)構(gòu)的反應(yīng)。減震構(gòu)造結(jié)構(gòu)減震構(gòu)造主要有基底隔震和懸掛隔震兩種。基底隔震構(gòu)造在結(jié)構(gòu)物底部與基礎(chǔ)頂面之間設(shè)置隔震消能裝置，使之與固結(jié)于地基中的基礎(chǔ)頂面分開，限制地震動(dòng)向結(jié)構(gòu)物傳遞，如圖4.3.2所示。為達(dá)到明顯減震效果，通?；A(chǔ)隔震系統(tǒng)需具備以下四種特性：圖4.3.2基底隔震構(gòu)造圖承載特性：具有足夠的豎向強(qiáng)度和剛度以支撐上部結(jié)構(gòu)的重量；隔震特性：具有足夠的水平初始剛度，在風(fēng)載和小震作用下，體系能保持在彈性范圍內(nèi)，滿足正常使用的要求，而中強(qiáng)地震時(shí)，其水平剛度較小，結(jié)構(gòu)為柔性隔震結(jié)構(gòu)體系；復(fù)位特性：地震后，上部結(jié)構(gòu)能回復(fù)到初始狀態(tài)，滿足正常的使用要求。耗能特性：隔震系統(tǒng)本身具有較大的阻尼，地震時(shí)能耗散足夠的能量，從而降低上部結(jié)構(gòu)所吸收的地震能量。基底隔震構(gòu)造的適用范圍：高度不超過40m，以剪切變形為主且質(zhì)量和剛度沿高度分布比較均勻的多層和中高層結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)隔震構(gòu)造基礎(chǔ)隔震主要采用隔震橡膠支座，隔震橡膠支座包括天然夾層橡膠支座、鉛芯橡膠支座，高阻尼橡膠支座等。天然夾層隔震橡膠支座天然夾層橡膠支座具有較大的豎向剛度，承受建筑物的重量時(shí)豎向變形小，而水平剛度較小，且線性性能好，如圖4.3.3所示。圖4.3.3天然夾層隔震橡膠支座由于天然夾層橡膠支座的阻尼很小，不具備足夠的耗能能力，所以在結(jié)構(gòu)使用中一般同其它阻尼器或耗能設(shè)備聯(lián)合使用。鉛芯隔震橡膠支座圖4.3.4鉛芯隔震橡膠支座鉛芯隔震橡膠支座由新西蘭的ROBINSON及其公司最早研制開發(fā)，以后在中國(guó)、日本、美國(guó)、意大利等國(guó)家都得到了較大的發(fā)展與應(yīng)用。因?yàn)殂U芯橡膠支座不但具有較理想的豎向剛度，如圖4.3.4所示，而且本身具有消耗地震能量的能力，故鉛芯橡膠支座在結(jié)構(gòu)使用中受到廣泛歡迎。減震結(jié)構(gòu)體系結(jié)構(gòu)消能減振體系的分類結(jié)構(gòu)消能減振體系由主體結(jié)構(gòu)和消能部件（消能裝置和連接件）組成，可以按照消能部件的不同―構(gòu)件型式分為以下類型：消能支撐可以代替一般的結(jié)構(gòu)支撐，在抗震和抗風(fēng)中發(fā)揮支撐的水平剛度和消能減振作用。消能裝置可以做成方框支撐、圓框支撐、交叉支撐、斜桿支撐、K型支撐等，如圖4.3.5所示。圖4.3.5消能支撐消能剪力墻可以代替一般結(jié)構(gòu)的剪力墻，在抗震和抗風(fēng)中發(fā)揮支撐的水平剛度和消能減震作用。消能剪力墻的形式如圖4.3.6所示。圖4.3.6消能剪力墻的形式消能節(jié)點(diǎn)在結(jié)構(gòu)的梁柱節(jié)點(diǎn)或梁節(jié)點(diǎn)處安裝消能裝置。當(dāng)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生側(cè)向位移、在節(jié)點(diǎn)處產(chǎn)生角度變化或者轉(zhuǎn)動(dòng)式錯(cuò)動(dòng)時(shí)，消能裝置即可以發(fā)揮消能減震作用，如圖4.3.7所示。圖4.3.7消能節(jié)點(diǎn)消能聯(lián)接消能聯(lián)接是在結(jié)構(gòu)的縫隙處或結(jié)構(gòu)構(gòu)件之間的聯(lián)結(jié)處設(shè)置消能裝置。當(dāng)結(jié)構(gòu)在縫隙或聯(lián)結(jié)處產(chǎn)生相對(duì)變形時(shí)，消能裝置即可以發(fā)揮消能減震作用，如圖4.3.8所示。圖4.3.8消能聯(lián)接3.1.5、消能支承或懸吊構(gòu)件圖4.3.9消能支承或懸吊構(gòu)件對(duì)于某些線結(jié)構(gòu)（如管道、線路，橋梁的懸索、斜拉索的連接處等），設(shè)置各種支承或者懸吊消能裝置，當(dāng)線結(jié)構(gòu)發(fā)生振（震）動(dòng)時(shí)，支承或者懸吊構(gòu)件即發(fā)生消能減震作用，如圖4.3.9所示。最常見的消能器為粘滯（流體）阻尼器和粘彈性阻尼器。粘滯（流體）阻尼器：基本原理是與結(jié)構(gòu)共同工作的粘滯流體阻尼器的導(dǎo)桿受力，推動(dòng)活塞運(yùn)動(dòng)，活塞兩邊的高粘性阻尼介質(zhì)產(chǎn)生壓力差，使阻尼介質(zhì)通過阻尼孔，產(chǎn)生阻尼力。4.4b目前各國(guó)抗震規(guī)范中普遍采用“小震不壞、中震可修、大震不倒”設(shè)防水準(zhǔn)，與之相適應(yīng)的抗震設(shè)計(jì)存在哪些局限性？新興的基于性能的結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)有哪些主要優(yōu)點(diǎn)？進(jìn)一步綜述基于性能的結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)的基本思想、基本步驟、結(jié)構(gòu)性能水準(zhǔn)和抗震設(shè)防水準(zhǔn)、與之相適應(yīng)的結(jié)構(gòu)計(jì)算分析方法、現(xiàn)階段實(shí)際工程應(yīng)用還存在的困難、國(guó)內(nèi)外研究和實(shí)踐的進(jìn)展。答：1.目前的抗震設(shè)計(jì)存在的局限性按現(xiàn)行建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)總體上保證了“大震不倒”的安全目標(biāo)，但是，地震某些結(jié)構(gòu)的損傷極嚴(yán)重，結(jié)構(gòu)難以修復(fù)且基本喪失了使用功能?；蛘?，地震作用下結(jié)構(gòu)過大的變形造成了室內(nèi)設(shè)備嚴(yán)重?fù)p壞，由此帶來的經(jīng)濟(jì)損失甚至可能超過建筑物本身的造價(jià)?，F(xiàn)行的抗震設(shè)防水準(zhǔn)只有三個(gè)性能目標(biāo)，且宏觀定性目標(biāo)，存在局限性?，F(xiàn)行抗震設(shè)計(jì)需要依照規(guī)范按部就班,缺乏靈活性,結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員處于被動(dòng)狀態(tài)。其抗震設(shè)計(jì)的實(shí)施方法是按照指令性、處方形式的規(guī)定進(jìn)行設(shè)計(jì)：通過結(jié)構(gòu)布置的概念設(shè)計(jì)、小震彈性設(shè)計(jì)、經(jīng)驗(yàn)性的內(nèi)力調(diào)整和構(gòu)造處理及部分結(jié)構(gòu)大震變形驗(yàn)算,即認(rèn)為可實(shí)現(xiàn)預(yù)期的宏觀的設(shè)防目標(biāo)。對(duì)復(fù)雜結(jié)構(gòu)有局限性,尚不能適應(yīng)新技術(shù)、新材料、新結(jié)構(gòu)體系發(fā)展要求。2、基于性能的結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)強(qiáng)調(diào)建筑結(jié)構(gòu)性能目標(biāo)的“個(gè)性化”.基于性能的抗震設(shè)計(jì)除了滿足“共性”外,更加注重“個(gè)性”設(shè)計(jì),增加了業(yè)主與設(shè)計(jì)人員的交流,根據(jù)結(jié)構(gòu)的用途及業(yè)主的要求確定結(jié)構(gòu)性能目標(biāo)后,設(shè)計(jì)人員可以選擇實(shí)現(xiàn)該性能目標(biāo)的設(shè)計(jì)方法,采用相應(yīng)的構(gòu)造措施,既調(diào)動(dòng)了設(shè)計(jì)人員的積極性,業(yè)主、設(shè)計(jì)師有更大的自主權(quán)。不僅強(qiáng)調(diào)保證生命安全，同時(shí)強(qiáng)調(diào)避免財(cái)產(chǎn)損失。.基于性能的抗震設(shè)計(jì)理論提出了多級(jí)目標(biāo)設(shè)計(jì)理念,既要保證生命安全,又要避免經(jīng)濟(jì)損失超過業(yè)主和社會(huì)的承受能力,更加注重非結(jié)構(gòu)構(gòu)件和內(nèi)部設(shè)施的保護(hù),因此根據(jù)投資———效益準(zhǔn)則,引入經(jīng)濟(jì)決策機(jī)制,它通過進(jìn)行費(fèi)效分析,在可靠和經(jīng)濟(jì)之間選擇一種合理的平衡,以確定最佳抗震設(shè)計(jì)方案,達(dá)到優(yōu)化設(shè)計(jì)的目的?？朔F(xiàn)有規(guī)范的局限性與現(xiàn)行抗震設(shè)計(jì)方法不同的是，基于性能的抗震設(shè)計(jì)除滿足基本要求外,需要提出符合預(yù)期性能要求的論證,包括結(jié)構(gòu)體系、詳盡的分析、抗震措施和必要的試驗(yàn),并通過專門的評(píng)估予以確認(rèn)。有利于新材料、新方法的推廣應(yīng)用基于性能的結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)概述基本思想基于性能的抗震設(shè)計(jì)的概念是指從項(xiàng)目的提出開始，直到建筑壽命結(jié)束的全過程，它包括地震危險(xiǎn)性分析、性能水準(zhǔn)和性能目標(biāo)的選擇、場(chǎng)地適應(yīng)性決策、概念設(shè)計(jì)、初步設(shè)計(jì)、最終設(shè)計(jì)、設(shè)計(jì)可行性檢查、設(shè)計(jì)重復(fù)檢查、施工質(zhì)量保證和建筑物壽命期內(nèi)的維護(hù)，每一步都是性能工程的關(guān)鍵，必須達(dá)到與選擇的性能目標(biāo)相適應(yīng)的水平，其中最重要的組成部分是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。基本步驟基于性能的抗震設(shè)計(jì)主要包括三個(gè)步驟：根據(jù)結(jié)構(gòu)的用途、業(yè)主和使用者的特殊要求，采用投資-效益準(zhǔn)則，明確建筑結(jié)構(gòu)的目標(biāo)性能（可以是高出規(guī)范要求的“個(gè)性”化目標(biāo)性能）根據(jù)以上目標(biāo)性能，采用適當(dāng)?shù)慕Y(jié)構(gòu)體系、建筑材料和設(shè)計(jì)方法等（而不僅僅限于規(guī)范規(guī)定的方法）進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。對(duì)設(shè)計(jì)出的建筑結(jié)構(gòu)進(jìn)行性能評(píng)估，如果滿足性能要求，則明確給出設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的實(shí)際性能水平，從而使業(yè)主和使用者了解（這是區(qū)別于目前常規(guī)設(shè)計(jì)的）；否則返回第一步和業(yè)主共同調(diào)整目標(biāo)性能，或直接返回第二部重新設(shè)計(jì)。3.3抗震設(shè)防水準(zhǔn)根據(jù)美國(guó)聯(lián)邦緊急救援署提供的資料，基于性能的抗震研究可以沿用四個(gè)性能水準(zhǔn)：水準(zhǔn)1基本完好：無永久側(cè)移；結(jié)構(gòu)基本保持原有強(qiáng)度和剛度；結(jié)構(gòu)構(gòu)件以及非結(jié)構(gòu)構(gòu)件基本不損壞。所有重要設(shè)備仍正常工作。水準(zhǔn)2輕微破壞：無永久側(cè)移；結(jié)構(gòu)基本保持原有強(qiáng)度和剛度；結(jié)構(gòu)構(gòu)件與非結(jié)構(gòu)構(gòu)件有輕微破壞。電梯能夠重新啟動(dòng)，防火措施得力。水準(zhǔn)3生命安全：所有樓層都有殘留強(qiáng)度和剛度；承受重力荷載的構(gòu)件仍起作用；不發(fā)生墻體平面外失效或女兒墻倒塌；有永久側(cè)移。隔墻破壞，建筑修復(fù)費(fèi)用可能很高。水準(zhǔn)4不倒塌：幾乎沒有殘留剛度和強(qiáng)度；但承受荷載的柱子和墻體仍起作用；有大的永久側(cè)移。一些出口被堵，內(nèi)隔墻和無支撐的女兒墻已經(jīng)或開始失效，建筑即將倒塌。3.4結(jié)構(gòu)計(jì)算方法基于性能的抗震設(shè)計(jì)方法目前主要有三種：承載力設(shè)計(jì)方法、位移設(shè)計(jì)方法和能量設(shè)計(jì)方法。3.4.1承載力設(shè)計(jì)方法承載力設(shè)計(jì)方法是目前各國(guó)規(guī)范所普遍采用的方法。3.4.2位移設(shè)計(jì)方法基于位移/性能的抗震設(shè)計(jì)方法是近些年來隨著人們對(duì)結(jié)構(gòu)抗震認(rèn)識(shí)的深入而產(chǎn)生的。根據(jù)設(shè)計(jì)思路的不同，基于位移的抗震設(shè)計(jì)可以下分為：直接基于位移的設(shè)計(jì)方法、能力譜方法和按延性系數(shù)設(shè)計(jì)的方法。直接基于位移的抗震設(shè)計(jì)方法是先假定結(jié)構(gòu)的整體側(cè)移模式，并按照結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)方法將實(shí)際的多自由度體系轉(zhuǎn)化為等效單自由度體系，確定等效單自由度體系結(jié)構(gòu)的彈塑性地震位移反應(yīng)，再根據(jù)側(cè)移模式反算出原多自由度體系各樓層的彈塑性地震位移反應(yīng)，驗(yàn)算其是否符合限值要求。該抗震設(shè)計(jì)方法直接用位移指標(biāo)衡量結(jié)構(gòu)的性能，比較直觀，計(jì)算方法也較為簡(jiǎn)單，便于設(shè)計(jì)中應(yīng)用。能力譜方法是通過將地震反應(yīng)譜曲線和結(jié)構(gòu)能力譜曲線轉(zhuǎn)換成相同的格式，求得兩個(gè)曲線相交點(diǎn)(稱作性能點(diǎn))的位移(稱作目標(biāo)位移)，或者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。該方法的特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)在地震作用下的“需”與“供”較為明確，有助于判斷結(jié)構(gòu)的性能，目前大都采用能力譜方法對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行抗震性能評(píng)估。按延性系數(shù)設(shè)計(jì)的方法就是要考察結(jié)構(gòu)屈服以后的延性反應(yīng)過程，研究