PPT结构抗震的分析与设计方法简介

结构抗抗震的的分析析与设设计方方法简简介1.结构抗震分分析方法结构抗震分分析的目的的抗震分析的的两个任务务确定地震作作用计算结构的的地震反应应从1900年左右至今今的100多年，已发发展出多种种针对地震震作用的分分析方法静力理论静力法创始始于意大利利，发展于于日本1900年左左右右，，大大森森房房吉吉、、佐佐野野利利器器、、物物部部长长穗穗、、末末广广恭恭二二对对该该理理论论发发展展作作出出重重要要贡贡献献静力力理理论论静力力理理论论认认为为结结构构物物所所受受到到的的最最大大基基底底剪剪力力等等于于刚刚性性结结构构物物所所受受到到的的最最大大惯惯性性力力：：静力力理理论论佐野利器根据据1906年旧金山地震震的现场调查查，认为刚性性大的结构物物可以取震度度k=0.1,该观点在1923年关东大地震震后，1924年被日本城市市建筑法规采采纳。k取0.1与结构特性无无关不变的k意味着对于结结构特性不同同的房屋采用用了不同的安安全性标准。。对相对高、、柔的结构偏偏严；对相对对矮、刚的结结构偏松。静力法是较为为粗燥的方法法反应谱理论1920年日本学者对对结构物在简简谐激励下的的地震反应进进行了研究，，但由于对地地震动特性缺缺乏定量的了了解，虽有进进展，仍未使使地震反应分分析脱离静力力阶段。1933年美国长滩地地震，取得了了第一个强震震加速度记录录；1940年美国在ELcentro地震又取得重重要强震记录录。20世纪40年代，在实际际强震记录和和结构自振特特性资料的基基础上，美国国学者比奥特特(Biot)、贝尼奥夫(Bennioff)、豪斯纳(Housner)等人提出了反反应谱的概念念。反应谱理论反应谱理论考考虑了结构动动力特性与地地震动特性之之间的关系，，同时保持了了静力理论的的形式，它将将结构物所受受到的最大基基底剪力写为为：反应谱理论反应谱概念经经过发展，形形成近代反应应谱理论，其其要素为：结构物可以简简化为多自由由度体系；多自由度体系系的地震反应应可以按振型型分解为多个个单自由度体体系反应的组组合；每个单自由度度体系的最大大反应可以从从反应谱求得得利用随机过程程理论处理各各振型间的组组合振型分解意味味着反应谱理理论处理的对对象是线弹性性结构反应谱理论设计谱反应谱的一般般概念是针对对特定的地震震记录的在抗震设计中中，现在普遍遍采用设计谱谱的概念。抗抗规的地震影影响系数曲线线就是一种加加速度设计谱谱。设计谱是以大大量地震动记记录的反应谱谱特性为依据据,经统计和平滑滑化处理确定定的，具有一一定的包络概概率。1959年GWHousner给出了世界上上第一条设计计谱。设计谱包含了了大量的地震震动信息，是是抗震设计的的较为可靠的的工具，比较较而言，一次次时程分析，，只能体现一一条特定的地地震纪录特性性，必须多波波(比如7条以上)分析，设计意意义才比较明明确。反应谱理论TAT,SATWE,PMSAP均具有水平地地震反应谱分分析的功能PMSAP还新增了竖向向地震反应谱谱分析的功能能，并可考虑虑其内力组合合，用于设计计。大跨结构、长长悬臂结构，，可能存在竖竖向的二次共共振，宜用反反应谱分析考考虑竖向地震震效应；规范范方法（底部部轴力法、直直接地震作用用系数法）则则可能偏小很很多（比如可可偏小1到2倍），此处设设计人员要特特别予以重视视。随机振动理论论认为地震动和结构地震反应应都是随机现象象，只能求得得其统计特征征，只能求得得结构在概率率意义上的最最大反应。根据这一概念念，较好地处处理了反应谱谱分析方法中中的振型组合合问题，并使使得抗震设计计从安全系数数法过渡到概概率理论的分分项系数法。。目前在工程中中的直接应用用尚未普及动力弹性时程程分析根据地震加速速度记录，直直接积分弹性性动力方程，，得到结构反反应的位移、、速度和加速速度历程由于地震动的的随机性，需需要足够多的的地震波分析析结果的平均均值，才能保保证其统计意意义。目前的设计软软件可以做单单向分析，也也可以做主向向、次向加竖竖向的三向分分析。PKPM的TAT,SATWE,PMSAP均配有三分量量地震波库。。PMSAP中可以考虑竖竖向分量，并并可把弹性时时程的最不利利时刻的结果果或用户指定定时刻的结果果考虑进内力力组合，用于于设计。静力弹塑性Pushover方法，

能力力谱方法能力谱方法最最早由Freeman于1975年提出，后经经发展被美国国ATC40等推荐使用是一种将静力力弹塑性分析析与弹性反应应谱理论相结结合、用于计计算非线性结结构在地震作作用下的动力力反应最大值值的方法使用方便，计计算效率高假定结构的地地震反应以第第一振型为主主，对于高振振型效应明显显的超高层结结构存在误差差。误差到底底会有多大，，值得进一步步研究、论证证。静力弹塑性Pushover方法，

能力力谱方法能力谱方法的的基本步骤：：通过给定的侧侧向荷载形式式，以拟静力力的方式逐步步施加到结构构上，得到一一系列的结构构反应，形成成一个反应序序列，这些反反应，称为结结构的能力(Capacity)。在反应序列的的每一点p上，构造等效效单自由度体体系，确定等等效周期和等等效阻尼，从从而根据弹性性反应谱，求求得结构在p点、在地震作作用下的最大大反应，这个个最大反应称称作结构在p点的需求(Demand)。若在某点p处，结构的能能力与需求相相等，则该点点就是结构在在地震作用下下的解，称为为性能点。该该点的位移称称为目标位移移。静力弹塑性Pushover方法，

能力力谱方法Pushover方法的关键问问题侧向荷载的分分布形式高阶振型效应应的考虑Pushover方法的另外一一些形式适应谱pushover法（AdaptiveSpectra-basedPushoverProcedure）：每一加载步的的荷载增量都都基于结构当当前的动力特特性振型pshover法(ModalPushoverAnalysisProcedure,Chopra,2002)：利用各个振型型的惯性力，，依次做pushover，得到地震反应应，最后组合合之静力弹塑性Pushover方法，

能力力谱方法PKPM的PUSH软件，是一个个专业的Pushover分析软件，采采用了能力谱谱方法确定结结构的性能点点。PUSH采用纤维素模模型的梁柱单单元和基于正正交各向异性性(DARWIN-PECKNOLD)砼本构关系的的微观模型墙墙元，采用弧弧长法追踪结结构反应，配配备VSS,PCG,波前法三种快快速求解器，，可以考虑楼楼板的承载力力贡献，可考考虑箍筋的约约束性能，可可进行自动网网格细分。已经在数百个个复杂工程中中应用，直接接接力SATWE和PMSAP。动力弹塑性时时程分析根据地震加速速度记录，直直接积分弹塑塑性动力方程程，得到结构构反应的位移移、速度和加加速度历程由于地震动的的随机性，需需要足够多的的地震波分析析结果的平均均值，才能保保证其统计意意义。钢筋砼构件的的一维、特别别是高维滞徊徊本构关系，，值得进一步步深入研究。。隐式和显式求求解方法，计计算效率问题题动力弹塑性时时程分析PKPM的EPDA软件，是一个个专业的动力力弹塑性分析析软件。EPDA采用纤维素模模型的梁柱单单元和基于正正交各向异性性(DARWIN-PECKNOLD)砼本构关系的的微观模型墙墙元，配备PCG快速求解器，，可以考虑楼楼板的承载力力贡献，配有有三向地震波波库。已经在数百个个复杂工程中中应用，直接接接力SATWE和PMSAP。地震反应分析析方法小结基于CQC组合的弹性反反应谱方法是是目前抗震设设计的主要工工具。弹性时时程分分析是是超限限结构构抗震震设计计的必必要补补充弹塑性性静力力pushover分析方方法和和弹塑塑性动动力时时程分分析方方法，，是大大震下下结构构变形形验算算的主主要手手段。。2.结构抗抗震设设计方方法早期抗抗震设设计方方法地震力力的确确定依依据静静力理理论，，一般般取建建筑物物重量量的10%进行设设计（（日本本,佐野利利器,1915）假定地地震力力与结结构特特性和和地基基情况况无关关假定房房屋抗抗震能能力仅仅与结结构承承载力力有关关（未未考虑虑结构构的延延性、、耗能能等概概念））采用安安全系系数，，进行行容许许应力力水准准上的的弹性性设计计反应谱谱理论论及结结构能能力设设计(CapacityDesign)我国及及多数数国家家的抗抗震规规范都都采用用了反反应谱谱理论论及结结构的的能力力设计计原则则，其其主要要特点点为：：用规范范规定定的设设计反反应谱谱进行行结构构线弹弹性分分析北美和和欧洲洲国家家的设设计谱谱，是是通过过50年超越越概率率10%的弹性性反应应谱除除以一一个”延性降降低系系数R”或”性能系系数q”得出。。中国78抗规的的设计计谱，，是通通过50年超越越概率率10%的弹性性反应应谱乘乘以一一个小小于1的结构构影响响系数数C得出，，与欧欧美本本质相相同。。中国的的89及01抗规，，设计计谱直直接采采用50年超越越概率率63%的弹性性反应应谱（（多遇遇地震震，小小震））反应谱谱理论论及结结构能能力设设计(CapacityDesign)结构构构件的的承载载力设设计，，考虑虑由弹弹性反反应谱谱地震震作用用与恒恒、活活、风风等荷荷载引引起的的内力力的组组合。。考虑合合理的的结构构屈服服机制制及非非弹性性变形形的需需要，，按照照相应应的不不同的的延性性要求求（抗抗震等等级）），采采取不不同的的抗震震措施施，包包括强强柱弱弱梁、、强剪剪弱弯弯等内内力调调整及及抗震震构造造要求求，这这些措措施是是能力力设计计原理理的重重要内内容，，也是是设计计反应应谱可可以比比弹性性谱降降低的的主要要依据据之一一。概念设计（（ConceptualDesign）要求：方案案设计阶段段，结构体系、结构体型的的规则性、结构的整体体性满足规范的的规定，以以使结构能能可靠地发发挥非弹性性延性变形形能力。反应谱理论论及结构能能力设计(CapacityDesign)二道防线设设计实质可以理理解为延性性控制构件延性指指标：轴压比剪压比剪跨比跨高比反应谱理论论及结构能能力设计—抗震设计极极限状态(三水准)使用极限状状态结构无损坏坏，不需修修理；或者者轻微损伤伤，只需稍稍加修理。。构件基本本处于弹性性工作状态态。与使用极限限状态对应应的地震作作用，多数数建筑可选选择50年超越概率率63%的小震(小震不坏水水准)；对甲类建建筑及紧急急状态下需需要保持其其功能的建建筑，可选选择50年超越概率率10%的中震。反应谱理论论及结构能能力设计—抗震设计极极限状态(三水准)损伤控制极极限状态建筑物发生生较多破坏坏，但结构构和非结构构构件尚能能经济地修修复；越过过此界限，，不能再修修复或经济济地修复。。与损伤控制制极限状态态对应的地地震作用，，多数建筑筑可选择50年超越概率率10%的中震(中震可修水水准)；反应谱理论论及结构能能力设计—抗震设计极极限状态(三水准)幸存极限状状态建筑物发生生大量破坏坏，不能修修复或不能能经济地修修复；但结结构不倒塌塌。与幸存控制制极限状态态对应的地地震作用，，多数建筑筑可选择50年超越概率率2-3%的大震(大震不倒水水准)；反应谱理论论及结构能能力设计—结构反应应的延性水水准(抗震等级)弹性反应结结构（比如如延性比<1.5）延性反应结结构有限延性的的结构（比比如延性比比=3.5）充分发挥延延性的结构构（比如延延性比=8.0）根据结构耗耗散地震能能量的基本本原理，承承载力和延延性这两个个指标充分分刻画了结结构的抗震震性能。承承载力较高高的结构，，对其延性性变形能力力的要求可可有所降低低；若结构构承载力较较低，则需需要较高的的延性变形形能力。反应谱理论论及结构能能力设计—结构反应应的延性水水准(抗震等级)AA1BB1CC1结构抗力S结构位移Du=1.0理想弹性反反应u=1.5基本处于弹弹性反应状状态u=3.5有限的延性性反应u=8.0充分的延性性反应O反应谱理论论及结构能能力设计—结构反应应的延性水水准(抗震等级)我国规范、、规程按照照不同的设设防烈度、、房屋高度度和结构体体系规定了了不同的抗抗震等级，，其实质就就是从宏观观上控制不不同结构的的延性要求求。不同的抗震震等级对应应着不同的的内力调整整系数和抗抗震构造措措施抗震等级为为特1级,1,2,3级的结构，属属于有限延延性的结构构抗震等级为为4级的结构属于于基本弹性性的结构反应谱理论论及结构能能力设计—概念设计计准则(结构体系的的抗震性能能)框架结构美国、新西西兰等国家家认为，经经过专门设设计、施工工的延性抗抗力矩框架架具有较好好的抗震性性能震害表明，，柔性底层层框架、竖竖向刚度或或承载力突突变的框架架、平面形形状不规则则的框架、、构造措施施达不到延延性要求的的框架、施施工质量达达不到要求求的框架，，破坏严重重。我国抗规规未强调调设计特特殊的延延性抗力力矩框架架，对框框架适用用高度作作了偏严严的规定定。反应谱理理论及结结构能力力设计—概念设设计准则则(结构体系系的抗震震性能)框剪结构构抗震性能能良好，，明显优优于框架架平面布置置需合理理，避免免严重的的扭转效效应反应谱理理论及结结构能力力设计—概念设设计准则则(结构体系系的抗震震性能)剪力墙结结构；框框架核心心筒、筒筒中筒结结构抗震性能能良好抗倒塌能能力良好好适宜建造造高层建建筑反应谱理理论及结结构能力力设计—概念设设计准则则(结构体系系的抗震震性能)板柱体系系和板柱柱剪力墙墙结构体体系板柱体系系抗震不不利，我我国规范范规程未未将其列列入抗震震结构体体系中板柱剪力力墙体系系抗震性性能明显显优于板板柱体系系，可作作为抗震震体系，，但对适适用高度度有较严严的限制制。反应谱理理论及结结构能力力设计—概念设设计准则则(结构体系系的抗震震性能)复杂高层层建筑：：属不规规则或者者特别不不规则结结构，需需要精细细方案设设计并采采取专门门措施。。9度设计不不采用带带转换层层、加强强层、错错层和连连体的结结构。7度8度设计不不宜采用用超过两两种的复复杂结构构。错层结构构的适用用高度宜宜严格限限制B级高度建建筑不宜宜采用连连体结构构，以防防塌落。。B级高度底底部带转转换层的的筒中筒筒结构，，当外筒筒采用由由剪力墙墙构成的的壁式框框架时，，最大适适用高度度应适当当降低反应谱理理论及结结构能力力设计—概念设设计准则则(不规则性性控制)平面布置置规则性性、楼板板开洞扭转控制制，周期期比，位位移比立面布置置规则性性控制，，避免过过大的外外挑内收收楼层刚度度比控制制楼层承载载力比控控制竖向抗侧侧力构件件的连续续性控制制基于性能能的抗震震设计(Performance-basedDesign)ATC40(1996),FEMA237(1997)提出在既既有建筑筑的评定定和加固固中使用用多重性能目标标的建议美国加州结构构工程师协会会SEAOC(StructuralEngineersAssociationofCalifornia)1995年提出了新建建房屋基于性性能的抗震设设计2003年美国ICC(InternationalCodeCouncil)发布了《建筑物及设施施的性能规范范》日本、欧洲相相继将抗震性性能设计的思思想列入设计计和加固标准准中基于性能的抗抗震设计(Performance-basedDesign)方法特点抗震设计从宏宏观定性目标标向具体量化化的多重目标标过渡业主可选择所所需的结构性性能目标抗震设计强调调根据性能目目标进行深入入分析和论证证，利于结构构创新。可以以采用现行规规范中未规定定的新结构体体系、新材料料和新技术可根据不同的的设防烈度、、场地条件及及建筑重要性性，灵活采用用不同的性能能目标和构造造措施具体量化的性性能目标对结结构分析和实实验手段提出出了更高的要要求，对分析析和实验有积积极的推动作作用基于性能的抗抗震设计(性能目标的设设定)地震地面运动动水准（小震震，中震，大大震）结构性能水准准SP1:结构完好，可可继续使用SP2:结构基本完好好，稍加维修修可继续使用用SP3:结构中等破坏坏，震后加固固可继续使用用SP4:结构破坏严重重，不影响生生命安全SP5:结构保持稳定定，破坏严重重，邻近倒塌塌基于性能的抗抗震设计(性能目标的设设定)非结构性能水水准NP-A：震后正常运行行使用NP-B：震后可很快恢恢复正常运行行使用NP-C：破坏严重，不不影响生命安安全NP-D：严重损坏基于性能的抗抗震设计(性能目标的选选用)一个建筑物具具体的性能目目标可以这样样描述地震地面运动动水准：{小震,中震,大震}结构性能水准准：{SP1,SP2,SP3,SP4,SP5}非结构性能水水准：{NPA,NPB,NPC}在一定的地面面运动水准下下选定结构性性能水准和非非结构性能水水准，就构成成一个具体的的性能目标基于性能的抗抗震设计(美国FEMA273的抗震性能目目标设定)aeimklhgdcbfjnpo基本性能目标标性能目标提高高2％10％20％50％接近倒塌生命安全直接使用可以使用结构性能提提高地震烈度增增加50年超越概率率行政管理部部门制定性性能水准和和性能目标标业主选用性性能目标(设计师协助助)选择建筑方方案是否采用现现行处方式式标准进行行设计确定实施目目标的措施施，含新结结构体系，，新技术，，新材料和和设备详细设计计计算和必要要的实验细部构造经济分析目标评价专家评审设计通过是否二次设计否否修改设计否否按现行标准准进行设计计基于性能的的抗震设计计(设计步骤)基于性能的的抗震设计计(与常规设计计方法的比比较)常规抗震设计抗震性能设计设防目标三水准；小震控制承载力和位移；大震控制位移；按使用功能分甲乙丙丁四类。按照使用功能类别及地震水准，制定结构、非结构的多个性能目标。由业主选择具体工程的预期目标设计方法按指令性、处方形式的规定进行设计；通过结构布置的概念设计、小震弹性设计、内力调整、抗震构造及大震变形验算，即认为实现宏观设防目标。除满足基本要求外，须提出符合预期性能目标的论证，包括结构体系、详尽的分析、抗震措施和必要的实验，并经过专门评估予以确认。工程应用应用广泛，设计人员已经熟悉；对高度和规则性有明确限制，尚不能适应新技术、新材料、新结构体系的发展目前少用，设计人员尚未掌握，风险大；为实现超限结构及复杂结构的设计提供了方法，利于技术进步。对分析和实验提出更高要求。基于性能的的抗震设计计(复杂和超限限高层建筑筑的抗震性性能目标)复杂超限结结构的6个抗震性能能水准1a：地震后完好好无损，立立即使用1b：地震后基本本完好，个个别构件微微裂缝，不不需修理或或稍加修理理可继续使使用2：地震后薄薄弱部位和和重要部位位完好无损损，其他部部位有部分分选定的延延性构件明明显裂缝，，修理后可可继续使用用3：地震后薄薄弱部位和和重要部位位轻微损伤伤，微裂缝缝，其他部部位有部分分选定的延延性构件中中等破坏，，明显裂缝缝，进入屈屈服阶段，，需修理并并采取一定定安全措施施才可继续续使用4：地震后发发生中等程程度破坏，，多数构件件轻微损坏坏，部分构构件中等损损坏，进入入屈服，裂裂缝明显，，经修理加加固后可使使用5：地震后明明显损坏，，多数构件件中等损坏坏，进入屈屈服，裂缝缝明显，部部分构件严严重损坏，，整个结构构不倒塌，，局部也不不倒塌，人人员会受伤伤，但生命命安全。基于性能的的抗震设计计(复杂和超限限高层建筑筑的抗震性性能目标)复杂超限结结构可供选选择的性能能目标方案案A,B,C,D,E及其含义地震水准结构性能水准1a1b2345小震ABCDE中震ABCDE大震ABCDE性能水准1a性能水准1b性能水准2性能水准3性能水准4性能水准5性能目标A大震水准：：完好性能目标B大震水准：：基本完好好性能目标C大震水准：：部分构件件中等破坏坏性能目标D大震水准：：中等破坏坏性能目标E大震水准：：生命安全全注：对ABCDE各性能目标标，中震时时的性能水水准按照图图中的大震性能能水准推前前一级，小小震的性能能水准则均均为1a结构稳定临临界点位移侧向总剪力力基于性能的的抗震设计计：目标方方案ABCDE图解性能水准的的判别准则则性能水准1a：结构满足弹弹性设计要要求；构件件承载力和和层间位移移满足规范范要求；计计算采用作作用分项系系数、材料料分项系数数和抗震承承载力调整整系数；性性能目标为为A,B的结构可不不考虑地震震内力调整整；抗震构构造至少满满足基本要要求(4级)；基于性能的的抗震设计计(复杂和超限限高层建筑筑的抗震性性能目标)性能水准的的判别准则则性能水准1b：结构构件承承载力满足足弹性设计计要求；计计算采用作作用分项系系数、材料料分项系数数和抗震承承载力调整整系数；性性能目标为为A,B的结构可不不考虑地震震内力调整整；抗震构构造至少满满足基本要要求(4级)；基于性能的的抗震设计计(复杂和超限限高层建筑筑的抗震性性能目标)性能水准的的判别准则则性能水准2：结构薄弱弱部位及重重要部位的的构件承载载力满足弹弹性设计要要求；整个个结构按照照非线性分分析计算，，允许有些些选定的部部位接近屈屈服，但不不应发生剪剪切等脆性性破坏，抗抗震构造满满足低延性性(3级)要求。基于性能的的抗震设计计(复杂和超限限高层建筑筑的抗震性性能目标)性能水准的的判别准则则性能水准3：结构薄弱弱部位及重重要部位不不屈服，即即在进行构构件承载力力设计时，，抗震组合合内力不调调整，抗震震承载力按按标准值计计算(作用分项系系数、材料料分项系数数和抗震承承载力调整整系数均取取1.0)。整个结构构按照非线线性分析计计算，允许许有些选定定的部位进进入屈服段段，但不应应发生剪切切等脆性破破坏，抗震震构造满足足中等延性性(2级)要求。基于性能的的抗震设计计(复杂和超限限高层建筑筑的抗震性性能目标)性能水准的的判别准则则性能水准4：整个结构构按照非线线性分析计计算，薄弱弱部位及重重要部位允允许达到屈屈服阶段，，但满足选选定的变形形限制（如如砼结构层层间变形控控制在1/500-1/300）。竖向构构件不不应应发生剪切切等脆性破破坏，抗震震构造满足足高延性(1级)要求。基于性能的的抗震设计计(复杂和超限限高层建筑筑的抗震性性能目标)性能水准的的判别准则则性能水准5：整个结构构按照非线线性分析计计算，薄弱弱部位及重重要部位允允许达到屈屈服阶段，，但满足现现行规范对对大震下的的变形限制制。竖向构构件不不应应发生剪切切等脆性破破坏，抗震震构造满足足特种延性性(特1级)要求。基于性能能的抗震震设计(复杂和超超限高层层建筑的的抗震性性能目标标)性能目标标的选用用建议小震作用用下均应应满足1a重要结构构需要保保持弹性性状态；；设防烈烈度较低低或地震震反应较较小；特特别不规规则结构构但业主主愿意付付出经济济代价；；等等情情况；可可选AB与A接近,选的A结构也可可以选B,可降低造造价在中/大震作用用下，既既具有合合适承载载力又具具有一定定延性的的结构比比较合理理。对复复杂和超超限高层层建筑，，一般可可选为C,D,E。基于性能能的抗震震设计(复杂和超超限高层层建筑的的抗震性性能目标标)