基于性能的抗震设计理论——Push-over分析方法

1、专题一：基于性能的抗震设计理论Push-over分析方法西南交通大学土木工程学院建筑工程系刘艳辉 副教授2016.3.21教 学 计 划绪论部分第一周绪论专题一：基于性能的抗震设计理论第二周基于性能的抗震设计理论研究背景介绍第三周抗震设防水准与性能水准第四周Push-over分析方法第五周延性需求谱方法第六周机动时间1专题二：连续倒塌设计理论第七周连续倒塌设计理论研究背景第八周倒塌判别标准第九周设计方法1构造措施方法第十周设计方法2拆除构件法第十一周机动时间2专题三：钢-混凝土组合结构第十二周钢-组合结构研究进展第十三周混凝土本构模型介绍第十四周试验研究第十五周试验影响因素分析第十六周机动时间

2、3总结部分第十七周提交论文专题2：连续倒塌设计理论研究进展混凝土本构模型组合梁试验研究试验影响因素分析及结论专题3：钢-混凝土组合结构理论背景抗震设防水准性能水准设计方法专题1：基于性能的抗震设计理论绪论什么是现代建筑？现代建筑面临的问题本课程的主要内容教学计划和考评关注重点：研究进展、Push-over分析方法、延性需求谱、地震波选波问题。关注重点：研究进展，本构关系，试验方法研究的主要步骤及细节问题理论背景倒塌判别标准设计方法一设计方法二关注重点：研究进展、倒塌判别标准研究、拆除构件法今天讲课内容 Content in todays lecture传统抗震设计方法 Traditional

3、seismic design method基于性能的抗震设计方法 Performance-based seismic design method能力谱法 Capacity spectrum methodPush-over分析方法 Push-over analysis三水准: “大震不倒、中震可修、小震不坏”三水准两阶段设计方法当遭受低于本地区抗震设防烈度的多遇地震影响时，一般不受损失或者不需要修理可继续使用；当遭受相当于本地区抗震设防烈度的地震影响时，可能损坏，经一般修理或者不需要修理仍然可以继续使用；当遭受高于本地区抗震设防烈度预计的罕遇地震影响时，不至于倒塌或者发生危及生命的严重破坏。1

4、传统抗震设计方法震级:是相对于某一次具体地震而言，是根据仪器测试结果衡量某次地震释放的能量的来分级的，这个数据是唯一的。震级每相差1.0级，能量相差大约32倍；每相差2.0级，能量相差约1000倍。地震烈度:国家根据地面破坏程度的观察和感觉，人为地划分了12个度，即世界上通用的麦氏烈度表（MM），也有八度表和十度表。地震基本烈度:其实是根据某地区地震的历史等因素综合考虑给定的，那是一种概率评估的结果。基本烈度是指该地区今后50年时间内，在一般场地条件下可能遭遇到超越概率为10%的地震烈度.抗震设防烈度:是与建筑物的抗震性能要求有关的，它根据各地区的地震基本烈度、重要性等确定的抗震设防烈度。第一

5、阶段设计：首先按基本烈度相应的众值烈度（相当于小震，约比基本烈度低1.55度）的地震参数，用弹性反应谱法求得结构在弹性状态下的地震作用效应，然后与其它荷载效应按一定的组合原则进行组合，对构件截面进行抗震设计或验算，以保证必要的强度；再验算在小震作用下结构的弹性变形。第二阶段设计：在大震作用下，验算结构薄弱部位的弹塑性变形，对特别重要的建筑和地震时易倒塌的结构除进行第一阶段的设计外，还要按第三水准烈度（大震）的地震动参数进行薄弱层（部位）的弹塑性变形验算，并采取相应的构造措施，以满足第三水准的设防要求（大震不倒）。在设计中通过良好的抗震构造措施使第二水准要求得以实现，从而达到“中震可修”的要求地

6、震影响系数曲线（1）第一阶段设计第一阶段设计: 弹性反应谱法反应谱:单自由度弹性系统在给定地震动作用下的最大反应随结构自振周期的变化曲线。同时是阻尼比的函数。单自由度体系:将结构中参与振动的质量全部集中在一点上，用无重的弹性杆件系统支撑于地面上。并假定地面运动和结构振动只是单方向的水平平移运动，不发生扭转。地基是刚性地面（即不考虑土-结构相互作用）地震动峰值加速度:地震动峰值加速度，与地震动加速度反应谱最大值相应的水平加速度。设计基本地震动峰值加速度:即对应基本烈度50年超越概率为10%的动峰值加速度，抗震规范明确：6度0.05g；7度0.10（0.15）g；8度0.20（0.30）g；9度0

7、.40g。（2）第二阶段设计为实现性能抗震设计思想，可以借助多种方法，如传统的基于力的设计方法、基于位移、能量、损伤的设计方法等。但就目前的研究水平而言，把性能设计应用到实际设计中主要有两种方法：1传统的基于力的抗震设计方法。即首先进行基于地震作用的强度计算，然后进行变形验算。与目前设计方法主要不同的是，结构性能水平要有多水准明确的量化，在考虑多级地震作用下，进行结构性能的验算。2基于位移的抗震设计方法。即采用位移作为结构性能指标。直接以目标位移作为设计变量。采用基于位移的抗震设计方法，可以在结构设计初始就明确结构的性能设计水平，并且使设计的结构性能正好达到目标性能水平，而不是传统设计时给出一

8、个限值。2 基于性能的抗震设计方法基于位移的抗震设计方法延性系数法：通过建立构件的位移延性系数或截面曲率延性系数与塑性铰区混凝土极限压应变的关系，由约束箍筋来保证核心混凝土能够达到所要求的极限压应变，从而使构件具有要求的延性系数能力谱法：将地震需求谱曲线和结构能力谱曲线绘在同一图中，求得两个曲线相交点的位移，或采用图示的方法直观地评估结构在给定地震作用下的性能，它的关键就是地震需求谱曲线的研究和能力谱曲线的确定。直接基于位移的设计方法：把位移作为基本设计变量，在设计的整个过程中，位移始终处于控制地位，针对不同的功能目标，位移向量可以方便地进行调整，进而对整个设计过程做出调整，从而设计出满足不同

9、功能的结构。能力谱其最初概念是由Freeman等人在1975年为美国海军抗震工程项目做简化评估时提出的, 后来经过不断改进。后应用于ATC-40,FEMA-273中。它是通过图形方法, 把结构的能力与地震地面运动对结构的要求进行比较3 能力谱法三个概念：能力谱：是指通过弹塑性静力分析方法得到的结构特征点位移与基底剪力之间的关系，并通过等效 SDOF 体系公式将其转化为加速度位移的关系曲线；地震需求谱（Demand Spectrum）实质上是地震反应谱曲线或者输入地震动记录的某一弹塑性反应谱曲线。一般情况下，通过将需求谱和能力谱相叠加在谱位移-谱加速度坐标体系中来评估结构在地震作用下的结构的反应

10、特征。性能点：如果两曲线不相交，说明结构未达到设计地震的性能要求（即发生破坏或倒塌），无法抵御预计的地震，如果两谱线相交，则说明结构的抗震性能能够满足抗震的需要，相交点被定义为结构抗震性能点（Performance Point），从而可根据该点对应的结构基底剪力、顶点位移等。能力谱的基本计算步骤 :( 1)按规范进行结构承载力设计;( 2)用静力弹塑性分析方法( Push- over)计算结构基底剪力-顶点位移vb - un的曲线;( 3)建立能力谱曲线, 用等效单自由度体系代替原结构, 因此可将vb - un 曲线转换为谱加速度Sa -谱位移Sd 曲线, 即能力谱曲线;( 4)建立非弹性需求

11、谱曲线, 可将需求谱曲线转化成Sa - Sd 谱曲线;( 5)确定结构的等效延性系数, 将能力谱曲线和需求谱曲线画在同一坐标系中, 检验结构的抗震能力, 如图2所示。两曲线的交点对应的位移即为等效单自由度体系的谱位移。将谱位移转化成原结构的顶点位移, 根据曲线即可确定结构的塑性铰分布, 然后修改设计方案或加固原结构。4 Push-over方法弹塑性静力分析方法（也称Push-over方法），是在一组能够近似反应结构的动力特性、单调递增的侧向荷载作用下，进行逐步弹塑性静力分析，直到结构达到预先确定的目标位移或倒塌状态，以得到结构位移与剪力的关系曲线。弹塑性静力分析方法的分析结果在很大程度上依赖于水平荷载的分布模式，因此，水平荷载分布模式的合理确定，成为这一方法最为重要的研究内容。目前，荷载分布模式的研究主要分为两种：基于力的加载模式和基于位移的加载模式。 Anil K Chopra , Rakish K Goel. Capacity Demand Diagram Method for Estimating Seismic Deformation of Inelastic Structures: SDOF System. University of California, Berkeley, PEER Repor