T结构抗震的分析与设计方法简介

结构抗震的分析与设计方法简介1.结构抗震分析方法结构抗震分析的目的抗震分析的两个任务确定地震作用计算结构的地震反应从1900年左右至今的100多年，已发展出多种针对地震作用的分析方法静力理论静力法创始于意大利，发展于日本1900年左右，大森房吉、佐野利器、物部长穗、末广恭二对该理论发展作出重要贡献静力理论静力理论认为结构物所受到的最大基底剪力等于刚性结构物所受到的最大惯性力：静力理论佐野利器根据1906年旧金山地震的现场调查，认为刚性大的结构物可以取震度k=0.1,该观点在1923年关东大地震后，1924年被日本城市建筑法规采纳。k取0.1与结构特性无关不变的k意味着对于结构特性不同的房屋采用了不同的安全性标准。对相对高、柔的结构偏严；对相对矮、刚的结构偏松。静力法是较为粗燥的方法反应谱理论1920年日本学者对结构物在简谐激励下的地震反应进行了研究，但由于对地震动特性缺乏定量的了解，虽有进展，仍未使地震反应分析脱离静力阶段。1933年美国长滩地震，取得了第一个强震加速度记录；1940年美国在ELcentro地震又取得重要强震记录。20世纪40年代，在实际强震记录和结构自振特性资料的基础上，美国学者比奥特(Biot)、贝尼奥夫(Bennioff)、豪斯纳(Housner)等人提出了反应谱的概念。反应谱理论反应谱理论考虑了结构动力特性与地震动特性之间的关系，同时保持了静力理论的形式，它将结构物所受到的最大基底剪力写为：反应谱理论反应谱概念经过发展，形成近代反应谱理论，其要素为：结构物可以简化为多自由度体系；多自由度体系的地震反应可以按振型分解为多个单自由度体系反应的组合；每个单自由度体系的最大反应可以从反应谱求得利用随机过程理论处理各振型间的组合振型分解意味着反应谱理论处理的对象是线弹性结构反应谱理论设计谱反应谱的一般概念是针对特定的地震记录的在抗震设计中，现在普遍采用设计谱的概念。抗规的地震影响系数曲线就是一种加速度设计谱。设计谱是以大量地震动记录的反应谱特性为依据,经统计和平滑化处理确定的，具有一定的包络概率。1959年GWHousner给出了世界上第一条设计谱。

设计谱包含了大量的地震动信息，是抗震设计的较为可靠的工具，比较而言，一次时程分析，只能体现一条特定的地震纪录特性，必须多波(比如7条以上)分析，设计意义才比较明确。反应谱谱理论论TAT,SATWE,PMSAP均具有有水平平地震震反应应谱分分析的的功能能PMSAP还新增增了竖竖向地地震反反应谱谱分析析的功功能，，并可可考虑虑其内内力组组合，，用于于设计计。大跨结结构、、长悬悬臂结结构，，可能能存在在竖向向的二二次共共振，，宜用用反应应谱分分析考考虑竖竖向地地震效效应；；规范范方法法（底底部轴轴力法法、直直接地地震作作用系系数法法）则则可能能偏小小很多多（比比如可可偏小小1到2倍），，此处处设计计人员员要特特别予予以重重视。。随机振振动理理论认为地震动动和结构地地震反反应都是随随机现现象，，只能能求得得其统统计特特征，，只能能求得得结构构在概概率意意义上上的最最大反反应。。根据这这一概概念，，较好好地处处理了了反应应谱分分析方方法中中的振振型组组合问问题，，并使使得抗抗震设设计从从安全全系数数法过过渡到到概率率理论论的分分项系系数法法。目前在在工程程中的的直接接应用用尚未未普及及动力弹弹性时时程分分析根据地地震加加速度度记录录，直直接积积分弹弹性动动力方方程，，得到到结构构反应应的位位移、、速度度和加加速度度历程程由于地地震动动的随随机性性，需需要足足够多多的地地震波波分析析结果果的平平均值值，才才能保保证其其统计计意义义。目前的的设计计软件件可以以做单单向分分析，，也可可以做做主向向、次次向加加竖向向的三三向分分析。。PKPM的TAT,SATWE,PMSAP均配有有三分分量地地震波波库。。PMSAP中可以以考虑虑竖向向分量量，并并可把把弹性性时程程的最最不利利时刻刻的结结果或或用户户指定定时刻刻的结结果考考虑进进内力力组合合，用用于设设计。。静力弹弹塑性性Pushover方法，，能能力谱谱方法法能力谱谱方法法最早早由Freeman于1975年提出出，后后经发发展被被美国国ATC40等推荐荐使用用是一种种将静静力弹弹塑性性分析析与弹弹性反反应谱谱理论论相结结合、、用于于计算算非线线性结结构在在地震震作用用下的的动力力反应应最大大值的的方法法使用方方便，，计算算效率率高假定结结构的的地震震反应应以第第一振振型为为主，，对于于高振振型效效应明明显的的超高高层结结构存存在误误差。。误差差到底底会有有多大大，值值得进进一步步研究究、论论证。。静力弹弹塑性性Pushover方法，，能能力谱谱方法法能力谱谱方法法的基基本步步骤：：通过给给定的的侧向向荷载载形式式，以以拟静静力的的方式式逐步步施加加到结结构上上，得得到一一系列列的结结构反反应，，形成成一个个反应应序列列，这这些反反应，，称为为结构构的能能力(Capacity)。在反应应序列列的每每一点点p上，构构造等等效单单自由由度体体系，，确定定等效效周期期和等等效阻阻尼，，从而而根据据弹性性反应应谱，，求得得结构构在p点、在在地震震作用用下的的最大大反应应，这这个最最大反反应称称作结结构在在p点的需需求(Demand)。若在某某点p处，结结构的的能力力与需需求相相等，，则该该点就就是结结构在在地震震作用用下的的解，，称为为性能能点。。该点点的位位移称称为目目标位位移。。静力弹弹塑性性Pushover方法，，能能力谱谱方法法Pushover方法的的关键键问题题侧向荷荷载的的分布布形式式高阶振振型效效应的的考虑虑Pushover方法的的另外外一些些形式式适应谱谱pushover法（AdaptiveSpectra-basedPushoverProcedure）：每一加加载步步的荷荷载增增量都都基于于结构构当前前的动动力特特性振型pshover法(ModalPushoverAnalysisProcedure,Chopra,2002)：利用各各个振振型的的惯性性力，，依次次做pushover，得到地地震反反应，，最后后组合合之静力弹弹塑性性Pushover方法，，能能力谱谱方法法PKPM的PUSH软件，，是一一个专专业的的Pushover分析软软件，，采用用了能能力谱谱方法法确定定结构构的性性能点点。PUSH采用纤纤维素素模型型的梁梁柱单单元和和基于于正交交各向向异性性(DARWIN-PECKNOLD)砼本构构关系系的微微观模模型墙墙元，，采用用弧长长法追追踪结结构反反应，，配备备VSS,PCG,波前法法三种种快速速求解解器，，可以以考虑虑楼板板的承承载力力贡献献，可可考虑虑箍筋筋的约约束性性能，，可进进行自自动网网格细细分。。已经在在数百百个复复杂工工程中中应用用，直直接接接力SATWE和PMSAP。动力弹弹塑性性时程程分析析根据地地震加加速度度记录录，直直接积积分弹弹塑性性动力力方程程，得得到结结构反反应的的位移移、速速度和和加速速度历历程由于地地震动动的随随机性性，需需要足足够多多的地地震波波分析析结果果的平平均值值，才才能保保证其其统计计意义义。钢筋砼砼构件件的一一维、、特别别是高高维滞滞徊本本构关关系，，值得得进一一步深深入研研究。。隐式和和显式式求解解方法法，计计算效效率问问题动力弹弹塑性性时程程分析析PKPM的EPDA软件，，是一一个专专业的的动力力弹塑塑性分分析软软件。。EPDA采用纤纤维素素模型型的梁梁柱单单元和和基于于正交交各向向异性性(DARWIN-PECKNOLD)砼本构构关系系的微微观模模型墙墙元，，配备备PCG快速求求解器器，可可以考考虑楼楼板的的承载载力贡贡献，，配有有三向向地震震波库库。已经在在数百百个复复杂工工程中中应用用，直直接接接力SATWE和PMSAP。地震反反应分分析方方法小小结基于CQC组合的的弹性性反应应谱方方法是是目前前抗震震设计计的主主要工工具。。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））采用安全系系数，进行行容许应力力水准上的的弹性设计计反应谱理论论及结构能能力设计(CapacityDesign)我国及多数数国家的抗抗震规范都都采用了反反应谱理论论及结构的的能力设计计原则，其其主要特点点为：用规范规定定的设计反反应谱进行行结构线弹弹性分析北美和欧洲洲国家的设设计谱，是是通过50年超越概率率10%的弹性反应应谱除以一一个”延性降低系系数R”或”性能系数q”得出。中国78抗规的设计计谱，是通通过50年超越概率率10%的弹性反应应谱乘以一一个小于1的结构影响响系数C得出，与欧欧美本质相相同。中国的89及01抗规，设计计谱直接采采用50年超越概率率63%的弹性反应应谱（多遇遇地震，小小震）反应谱理论论及结构能能力设计(CapacityDesign)结构构件的的承载力设设计，考虑虑由弹性反反应谱地震震作用与恒恒、活、风风等荷载引引起的内力力的组合。。考虑合理的的结构屈服服机制及非非弹性变形形的需要，，按照相应应的不同的的延性要求求（抗震等等级），采采取不同的的抗震措施施，包括强强柱弱梁、、强剪弱弯弯等内力调调整及抗震震构造要求求，这些措措施是能力力设计原理理的重要内内容，也是是设计反应应谱可以比比弹性谱降降低的主要要依据之一一。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。我国抗规未未强调设计计特殊的延延性抗力矩矩框架，对对框架适用用高度作了了偏严的规规定。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)框剪结构抗震性能良良好，明显显优于框架架平面布置需需合理，避避免严重的的扭转效应应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)剪力墙结构构；框架核核心筒、筒筒中筒结构构抗震性能良好好抗倒塌能力良良好适宜建造高层层建筑反应谱理论及及结构能力设设计—概念设计准准则(结构体系的抗抗震性能)板柱体系和板板柱剪力墙结结构体系板柱体系抗震震不利，我国国规范规程未未将其列入抗抗震结构体系系中板柱剪力墙体体系抗震性能能明显优于板板柱体系，可可作为抗震体体系，但对适适用高度有较较严的限制。。反应谱理论及及结构能力设设计—概念设计准准则(结构体系的抗抗震性能)复杂高层建筑筑：属不规则则或者特别不不规则结构，，需要精细方方案设计并采采取专门措施施。9度设计不采用用带转换层、、加强层、错错层和连体的的结构。7度8度设计不宜采采用超过两种种的复杂结构构。错层结构的适适用高度宜严严格限制B级高度建筑不不宜采用连体体结构，以防防塌落。B级高度底部带带转换层的筒筒中筒结构，，当外筒采用用由剪力墙构构成的壁式框框架时，最大大适用高度应应适当降低反应谱理论及及结构能力设设计—概念设计准准则(不规则性控制制)平面布置规则则性、楼板开开洞扭转控制，周周期比，位移移比立面布置规则则性控制，避避免过大的外外挑内收楼层刚度比控控制楼层承载力比比控制竖向抗侧力构构件的连续性性控制基于性能的抗抗震设计(Performance-basedDesign)ATC40(1996),FEMA237(1997)提出在既有建建筑的评定和和加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高高地震烈度增加加50年超越概率行政管理部门门制定性能水水准和性能目目标业主选用性能能目标(设计师协助)选择建筑方案案是否采用现行行处方式标准准进行设计确定实施目标标的措施，含含新结构体系系，新技术，，新材料和设设备详细设计计算算和必要的实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进进行设计基于性能的抗抗震设计(设计步骤)基于性能的抗抗震设计(与常规设计方方法的比较)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。基于性能的抗抗震设计(复杂和超限高高层建筑的抗抗震性能目标标)复杂超限结构构的6个抗震性能水水准1a：地震后完好无无损，立即使使用1b：地震后基本完完好，个别构构件微裂缝，，不需修理或或稍加修理可可继续使用2：地震后薄弱弱部位和重要要部位完好无无损，其他部部位有部分选选定的延性构构件明显裂缝缝，修理后可可继续使用3：地震后薄弱弱部位和重要要部位轻微损损伤，微裂缝缝，其他部位位有部分选定定的延性构件件中等破坏，，明显裂缝，，进入屈服阶阶段，需修理理并采取一定定安全措施才才可继续使用用4：地震后发生生中等程度破破坏，多数构构件轻微损坏坏，部分构件件中等损坏，，进入屈服，，裂缝明显，，经修理加固固后可使用5：地震后明显显损坏，多数数构件中等损损坏，进入屈屈服，裂缝明明显，部分构构件严重损坏坏，整个结构构不倒塌，局局部也不倒塌塌，人员会受受伤，但生命命安全。基于性能的抗抗震设计(复杂和超限高高层建筑的抗抗震性能目标标)复杂超限结构构可供选择的的性能目标方方案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：完完好性能目标B大震水准：基基本完好性能目标C大震水准：部部分构件中等等破坏性能目标D大震水准：中中等破坏性能目标E大震水准：生生命安全注：对ABCDE各性能目标，，中震时的性性能水准按照照图中的大震性能水水准推前一级级，小震的性性能水准则均均为1a结构稳定临界界点位移侧向总剪力基于性能的抗抗震设计：目目标方案ABCDE图解性能水准的判判别准则性能水准1a：结构满足弹性性设计要求；；构件承载力力和层间位移移满足规范要要求；计算采采用作用分项项系数、材料料分项系数和和抗震承载力力调整系数；；性能目标为为A,B的结构可不考考虑地震内力力调整；抗震震构造至少满满足基本要求求(4级)；基于性能的抗抗震设计(复杂和超限高高层建筑的抗抗震性能目标标)性能水准的判判别准则性能水准1b：结构构件承载载力满足弹性性设计要求；；计算采用作作用分项系数数、材料分项项系数和抗震震承载力调整整系数；性能能目标为A,B的结构可不考考虑地震内力力调整；抗震震构造至少满满足基本要求求(4级)；基于性能的抗抗震设计(复杂和超限高高层建筑的抗抗震性能目标标)性能水准的判判别准则性能水准2：结构薄弱部部位及重要部部位的构件承承载力满足弹弹性设计要求求；整个结构构按照非线性性分析计算，，允许有些选选定的部位接接近屈服，但但不应发生剪剪切等脆性破破坏，抗震构构造满足低延延性(3级)要求。基于性能的抗抗震设计(复杂和超限高高层建筑的抗抗震性能目标标)性能水准的判判别准则性能水准3：结构薄弱部部位及重要部部位不屈服，，即在进行构构件承载力设设计时，抗震震组合内力不不调整，抗震震承载力按标标准值计算(作用分项系数数、材料分项项系数和抗震震承载力调整整系数均取1.0)。整个结构按按照非线性分分析计算，允允许有些选定定的部位进入入屈服段，但但不应发生剪剪切等脆性破破坏，抗震构构造满足中等等延性(2级)要求。基于性能的抗抗震设计(复杂和超限高高层建筑的抗抗震性能目标标)性能水准的判判别准则性能水准4：整个结构按按照非线性分分析计算，薄薄弱部位及重重要部位允许许达到屈服阶阶段，但满足足选定的变形形限制（如砼砼结构层间变变形控制在1/500-1/300）。竖向构件件不不应发生生剪切等脆性性破坏，抗震震构造满足高高延性(1级)要求。基于性能的抗抗震设计(复杂和超限高高层建筑的抗抗震性能目标标)性能水准的判判别准则性能水准5：整个结构按按照非线性分分析计算，薄薄弱部位及重重要部位允许许达到屈服阶阶段，但满足足现行规范对对大震下的变变形限制。竖竖向构件不不不应发生剪切切等脆性破坏坏，抗震构造造满足特种延延性(特1级)要求。基于性能的抗抗震设计(复杂和超限高高层建筑的抗抗震性能目标标)性能目标的选选用建议小震作用下均均应满足1a重要结构需要要保持弹性状状态