基于性能的结构抗震设计

基于性能的结构抗震设计一、绪论1、结构抗震设计的发展阶段（1）刚性设计（2）柔性设计（3）延性设计（4）结构控制设计（5）基于性能的抗震设计结构控制设计的优缺点1、主动控制有良好的适应性，但由于土木工程结构本身质量巨大，因此需要的外部能量也较大。在灾害发生的同时很难保证。同时溢出影响和迟时效应难以解决。2、许多被动控制措施（TMD、TLD）在小震和常规风荷载的作用下对于减小结构的加速度和位移反应提高居住舒适度有较好的效果;而在大震和飓风等作用下在保证结构安全方面效果不理想。3、控制系统要求比结构具有更高的可靠性，因此造价较高。基于性能的抗震设计思想的产生背景1、通过对现有的抗震设计思想和方法的反思，人们认识到必须从以往只注重结构安全，向全面注重结构的性能、安全及经济等诸多方面发展。2、高新技术的发展和人们生活水平的提高，使业主和使用者对建筑结构有了更多的性能要求，如安全、舒适、经济、和易维护等。3、建筑结构技术的发展使得不同的建筑目标性能能够得以实现。2、基于性能的结构抗震设计1、基于性能的抗震设计思想是20世纪90年代美国学者提出的，它是使设计出的结构在未来的地震灾害下能够维持所需求的性能水平。目前各国普遍采取的是“三水准、两阶段”的抗震设计思想是以保障生命安全为主要设防目标的，它可以做到大震时主体结构不倒，但可能造成中小震下结构正常使用功能的丧失而引起的巨大经济损失（如内装修、非结构构件、信息技术设备等等）。具有局限性，难以满足性能的要求。3、基于性能的结构抗震设计内容

基于性能的抗震设计包括了地震风险水平的确定、性能水平和目标性能的选择、适宜场地的确定、概念设计、初步设计、最终设计、设计过程重的可行性检查、设计审核以及结构施工过程中的质量保证和使用过程中的检测维护的细化工作等等。4、基于性能的结构抗震设计的目标性能目标性能的确定包括：

（1）、定义一组合适的建筑结构的抗震性能水平。

所谓的性能水平是指一种有限的破坏状态（2）定义一组相相应的地震风险和和相应的设计水平平（3）确定建筑结结构的抗震设计的的目标性能结构的目标性能是指在一定超越概概率的地震发生时时，结构期望的最最大破坏程度5、基于性能抗震震设计的两类目标标性能社会需求属于第一类目标性性能，主要包括：：a、建筑使用者和和他人的生命安全全；b、灾害可能引起起的社会损失。此类目标性能是规规范给出的各类结结构的目标性能，，是所有结构必须遵循的的最低要求，它反反应的是结构抗震震设计的“共性”。个人要求属于第二类目标性性能，主要包括：：a、生命安全；b、避免财产损失失；c、维护正常使用用性能。此类目标性能是根根据结构的用途及及业主使用者的特特殊要求，可以因结构构而异，它反应的的是结构抗震设计计的“个性”。二、结构全寿命总总费用评估2.1投资——效益准则所谓投资—效益准则,就是在设计中除除了考虑技术因素素外,还考虑经济济、社会、政治等等诸多因素,它所所追求的设计目标标就是在结构寿命命周期的总费用最最小,即在结构的的初始造价与结构构未来的损失期望望中,达到一种优优化平衡。是基基于性能的抗震设设计重要原则。SEAOCVision指出出：“结构的目标标性能水平应综合合考虑下列因素来来决定：建筑物的的居住情况、建筑筑物性能的重要性性、建筑物破坏所所导致的直接经济济损失、间接经济济损失及人员的伤伤亡、建筑物作为为历史或文化名胜胜的潜在重要性等等”国际标准《结构可可靠性总原则》指指出可靠性的目标标水准应取决于失失效后果和安全措措施费用之间的平平衡，即努力降低低下式给出的寿命命周期的总费用：：Ctot=Cb+Cm+∑PfCfCb、Cm、Cf分别为房屋成本、、维护和拆除的预预期费用、失效费费用；Pf为寿命周期的失效效概率。2.2基于投投资-效益准则的的抗震优化设计模模型结构的全成本包括括初始造价和风险险两个方面。风险是概率意义上上的量，同时结构构设计中存在着大大量的不确定定性（如外外部环境、、结构特性性以及结构构整体分析模型型）。故应应采用基于于可靠度的的设计方法法作为结构抗震震设计未来来的发展方方向。基于性能的的结构抗震震设计应该该以结构可可靠度理论作为基础础。基于投资-效益准则则的抗震优优化设计模模型可写为为如下表达达式式中,x为为设计变量量,W为为目标函数数,Co(x)为为结构的初初始造价,第二项项为结构失失效损失期期望,Pfs(x)为结结构体系失失效概率,[Pfs]为相应的的目标值,Cfs为该功能失失效时的损损失值,cfspfs代表该模式式失效时的的损失期望望,gj(x)≤0为确定性性约束条件件。上述优化模模型的缺点点：在其寿命期期内，一个个结构的破破坏或失效效可能是由由于不同类类型的自然然灾害及人人为灾害，，在不同的的灾害下结结构的破坏坏和失效模模式可能不不同；即使使考虑特定定的一种灾灾害引起的的结构破坏坏和失效，，由于灾害害荷载的严严重不确定定性，也由由于结构具具有多方面面的使用性性能，致使使失效模式式可能相差差很大，失失效造成的的损失也相相差很大。。没有考虑实实际结构不不同失效模模式的重要要性。结构体系可可靠度度计计算非常复复杂。式中,第第二项为结结构失效损损失期望,是所考虑虑的np个不同结构构功能失效效时结构失失效损失期期望值的和和,Pfi(x)为基基于该功能能i的结构构体系失效效概率,[Pfi]为相应的的目标值,Cfi为该功能失失效时的损损失值,CfiPfs代表该模式式失效时的的损失期望望.2.3结结构寿命命周期总费费用评估结构寿命周周期总费用用评估涉及及3个方面面：寿命周周期总费用用模型、结结构失效损损失值估计计，结构性性能失效概概率的计算算。W=Ci+Cm+CfW为寿命周期期总费用，，Ci为初始造价价，Cm为检查维护护费用，Cf为失效损失失期望，包包括直接损损失和间接接损失。这这3项相互互关联，如如下图所示示：其中，结构构的失效损失一般可分为为直接损失和间接损失，主要包括括：由于结结构失效所所需要的维维护和更换换费用，结结构丧失性性能引起的的间接损失失，人员伤伤亡损失以以及由于结结构失效而而产生的社社会、政治治、心理上上的损失等等。它不仅仅与结构失失效损失值值有关，还还与这种失失效模式发发生的概率率有关。2.3.1结构构寿命周期期总费用评评估中的贴贴现率结构寿命周周期总费用用评估中可可以采用适适当的贴现现率，把未未来的费用用转化为现现值，从而而可以进行行总费用现现值的评估估。2.3.2初始始费用其一是直接接根据结构构具体的设设计方案进进行造价估估算；（个性）其二是建立立某一类结结构初始费费用与代表表性的设计计参数（如如结构可靠靠度、设计计强度）之之间的近似似关系。（共性）初始费用的的评估一般般采取两种种策略：初始费用——可靠度（（失效概率率）的关系系初始费用——设计强度度的关系C0为初始费用用基准值（（当rd=S0时的初始费费用）；rd为设计抗力力；S0为荷载效应应的均值；；k1为标准化后后的费用增增长率，对对于特定的的结构可以以从设计中中得到一般般情况下随随设计抗力力和荷载均均值变化而而变化.2.3.3检查查维护费用用结构合理的的维修策略略应该使维维修费用和和风险之间间达到合理的平衡衡，考虑技技术、经济济、管理等等多方面，，如：1、从结构构的安全性性能方面考考虑，即在在设施的结结构遭到破坏或有有损坏的可可能性时进进行修复。。2、从结构构的使用性性能方面考考虑，即在在设施的使使用上受到影响后后进行修复复。3、从美学学及社会需需要方面进进行考虑，，即主观上上考虑修复。4、从经济济方面考虑虑，目的在在于将维修修费用降至至最低的修复。2.3.4结构构失效模式式和破坏准准则人员感受失失效模式正常使用失失效模式结构安全失失效模式包括极值荷荷载作用下下结构最大大变形强度度超过极限限值而引起起结构发生生重大破坏坏甚至倒塌塌；以及在在常规荷载载作用下结结构发生疲疲劳破坏。。1、强度破破坏准则结构破坏是是由最大应应力或内力力超过允许许值引起的的，即Q是由最大大应力或内内力可以是是剪力、弯弯矩或应力力；[Q]为相应的允允许值，强度使用准准则方便，，但在地震震作用下结构常常常进入非线线性状态，，这时内力力或应力增增加不多，但还有有很大的塑塑性变形过过程，因此此无法准确确反应和区别结构构屈服后在在某一阶段段的破坏强强度.Q≥[Q]结构失效的的主要判别别准则2、变形破破坏准则结构破坏是是由变形过过大引起的的，可采用用结构的延延性系数或直接接采用层间间变形来表表示。△u≥[u]△u、[u]分别为结构构层间变形形反应和允允许值。2.3.5失效效损失费用用1、失效损损失费用的的评估模型型Nt表示在时间间段内的所所有荷载工工况，Cj表示在当时时第j个性性能失效时时的损失值值，λ为年贴现率，，Pij为第i个灾灾害荷载工工况下第j个极限状状态的失效效概率，k所考虑的的极限状态态2、结构失失效损失值值估计Kanda和Shah提出的的模型损失的分类类：a、结构破破坏，需要要维修或更更换。b、建筑物物内物品损损坏，需要要维修或更更换。c、非结构构构件破坏坏，需要维维修或更换换。d、仪器设设备损坏，，需要维修修或更换。。e、性能能失效f、受伤伤g、死亡h、心理伤伤害不同用途建建筑结构的的分类：A、私有房房屋B、供出租租的公寓C、小商店店D、高层办办公楼E、医院院F、消防防站G、核电站站根据我国实实际情况的的结构失效效损失值估估计2.4人人员伤亡损损失评估一般情况下下可以采用用两种方法法来处理人人员伤亡损损失问题，，一是人员员伤亡损失失的货币化化处理，计计入结构寿寿命周期总总费用中；；另一种是是将人员伤伤亡与结构构寿命周期期总费用分分开考虑，，要求人员员伤亡率在在一个可以以接受的范范围内，并并将这一要要求作为约约束条件加加进问题的的数学模型型之中。2.4.1人员员伤亡损失失的货币化化通过支付意意愿来进行行人员伤亡亡损失评估估。支付意愿是指在假想想市场下人人们对环境境物品、公公共物品或或者某种服服务愿意支支付的货币币量。2.4.2基于生生命质量的的人员伤亡亡损失费用用评估通过生命质量指指标和避免死亡隐隐含费用来对人员的的伤亡损失失费用进行行评估2.4.3人员员伤亡的风风险水平人员伤亡损损失的货币币化处理常常导致一些些人类伦理理方面的争争论，因此此可以将人人员伤亡与与结构寿命命周期总费费用分开考考虑，参照照整个社会会各种活动动的人员伤伤亡风险水水平，是建建筑破坏导导致的人员员伤亡率在在一个可以以接受的范范围。2.4.4人员员伤亡损失失的评估模模型D为地震引引起的死亡亡人数，H为建筑物物倒塌数，，P为地震震破坏区的的人口数，，W为地震震破坏区的的建筑总数数，S为严严重破坏（（部分倒塌塌）的建筑筑数量，x为建筑的的破坏率，，B为发生生火灾的建建筑数量，，F与火灾灾有关的参参数，T为为与地震发发生的时间间有关的参参数，E为为与年代有有关的参数数。人们基于不不同的侧重重点又提出出了以下的的一些模型型三、基于投投资—效益益准则的结结构目标性性能3.1结结构目标标可靠度的的优化决策策根据投资——效益准则则,本文提提出以下3种结构目目标可靠度优化决决策模型：：式中:[Psi]为设计变变量,是基基于性能i的结构目目标可靠度度;目标函函数包括3部分,C0([Psi])为结结构的初初始造价价,Cm([Psi])为检检查维修修费用,第3项项是所考考虑的np个不同结结构性能能失效时时结构失失效损失失期望值值的和,Cfi为该性能能失效时时的损失失值.模型1概概念念模型此处换个个角度，，在目标标可靠度度优化决决策模型型中,把把结构设设计方案案也作为为设计变变量,这这样,根根据设计计方案可可以很方方便地得得到结构构造价,从而解解决了结结构造价价评估这这一困难难.基于于这种考考虑，提提出了以以下两种种优化模模型:参数规划划法及约约束放松松法该模型的的目标函函数中可可以看出出，结构构造价必必须表示示为结构构目标可可靠度的的函数，，即由结结构目标标可靠度度唯一决决定结构构的初始始造价。。模型2参参数规规划法式中:x表示结结构设计计方案的的设计变变量向量量,可以以是与结结构布局局、拓扑扑、形状状、尺寸寸等有关关的变量量;目标标函数中中，C0(x)和和Cm(x)分分别为结结构的初初始造价价和检查查维修费费用，是是结构设设计方案案x的函函数,Psi(x)为为设计方方案x基基于性能能i的结结构体系系可靠度度，Cfi为该性能能失效时时的损失失值.约约束条件件中，gj(x)≤≤0为与与设计方方案有关关的确定定性约束束条件,如构件件的强度度约束、、构造要要求约束束等，[Psk]-Psk(x)≤≤0为基基于性能能的结构构体系可可靠度约约束.模型3约约束放放松法式中各项项表示的的含义与与模型2相同.求解最最优模型型3,得得到最优优设计方方案xopt,则基于于性能的的结构体体系目标标可靠度度可由下下式求出出:可以证明明当模型型2中基基于性能能的结构构体系可可靠度约约束均为为作用约约束时，，模型2与模型型3等价价。在模型3中最优优目标可可靠度既既未出现现在目标标函数中中,也未未出现在在约束中中.从这这个事实实可得到到一个重重要的结结论,在在根据投投资—效效益设计计结构时时,准确确地估计计结构在在寿命周周期的总总费用和和失效风风险是非非常关键键的,如如果它们们能被准准确估计计,对目目标可靠靠度并不不需要加加以约束束就能得得到有恰恰当可靠靠度的设设计,并并同时确确定最优优目标可可靠度。。3.2结结构构目标设设计强度度的优化化决策1、强度度模型在结构响响应分析析中，结结构层间间变形和和地震作作用的关关系采用用理想弹弹塑性模模型，如如图以上模型型采用以以下假定定:(1)结结构的初初始造价价由结构构设计强强度决定定;(2)结结构反应应由结构构设计强强度和地地面运动动大小决决定;(3)结结构的破破坏程度度由结构构层间变变形决定定;(4)考考虑不同同的地震震动.结构寿命命周期总总费用包包括初始始造价、、破坏修修复费用用、结构构失效损损失和引引起的间间接损失失,见图图2.这这样,结结构最优优设计强强度的模模型为2、结构构寿命周周期总费费用式中:R为结构构设计强强度,Ct为结构寿寿命周期期总费用用,Ci为初始造造价,Cr为破坏修修复费用用,Cc为结构失失效损失失,Cf为结构失失效引起起的间接接损失;通过构构造近似似关系来来估算以以上费用用.3.3结结构构目标设设防烈度度的优化化决策在遵循其其抗震设设防标准准下，根根据投资资—效益益准则，，对建筑筑结构的的设防烈烈度进行行优化决决策，从从某种程程度也反反了结构构的目标标性能水水平，这这就是最优设防防烈度。按设防烈烈度Id设计的满满足规范范要求、、造价最最小的设设计方案案为x(Id)来讨论论.根据据“小震震不坏、、中震可可修、大大震不倒倒”的设设防要求求,结构构x(Id)在遇到到随机烈烈度为S的地震震时不坏坏、可修修、不倒倒的可靠靠度可近近似表示示为图3所示的的关系,图中Il、Id、Iu分别表示示众值烈烈度、设设防烈度度、大震震烈度.把规范中中规定的的5个破破坏等级级:基本本完好、、轻微破破坏、中中等破坏坏、严重重破坏、、倒塌,与“不不坏、可可修、不不倒”联联系起来来后,通通过近似似处理,就可以以得到结结构x(Id)遭受某某一等级级破坏的的概率,从而进进一步进进行结构构x(Id)的失效效损失期期望评估估.这样,最优优设防烈烈度的优优化决策策模型为为3.4结结构构目标性性能优化化决策的的讨论前面3种种目标性性能优化化决策采采用了不不同的处处理方法法,最最优可靠靠度采用用了结构构可靠度度理论进进行可靠靠度计算算;最最优设防防烈度则则假定按按规范设设计的结结构满足足“小震震不坏、、中震可可修、大大震不倒倒”来对对可靠度度做近似似处理后后得到;最优优设计强强度利用用MonteCarlo法来来解决这这个问题题.而对于结结构性能能失效值值的确定定,以以上3种种目标标性能优优化决策策都采用用了已有有的一些些调查数数据.下下面对对最优可可靠度与与最优烈烈度的关关系做进进一步的的讨论.设防荷载载和目标标可靠度度是结构构抗震设设计中必必须考虑虑的两类类变量.它们之之间的关关系如下下：(1)如果作用用到结构构上的荷荷载是无无限粗糙糙的(即荷载载的离散散性远远远高于结结构本身身的离散散性),则结结构可以以看做确确定性的的.对对于给定定的结构构,结结构的可可靠度和和设防荷荷载有简简单的一一一对应应关系.大震和和飓风都都可以近近似为无无限粗糙糙的荷载载.(2)如果作用用到结构构上的荷荷载是一一般粗糙糙的,此处处采用一一个简单单的概念念模型来来讨论结结构设防防荷载和和结构目目标性能能水平的的关系.在这这个模型型中,假假定设设计变量量包括结结构设计计方案x,设设防烈度度Id(来来描写设设计地震震荷载),目目标可可靠度[Ps],目标函函数包括括初始造造价和损损失期望望。式中:Ps是结构的的实际可可靠度,C0是结构的的初始造造价,D(x)为为失效效损失.其他他约束包包括了结结构分析析所需满满足的控控制方程程、规范范中规定定的各种种构造措措施、描描述结构构失效的的极限状状态方程程和结构构可靠度度的计算算方法.按照这个个模型进进行设计计存在一一个非常常严重的的困难是是结构可可靠度或或失效概概率的计计算.最优设防防烈度计计算中,采用用了一个个重要的的假定:严格按现现有规范范设计的的结构可可靠度将将等于目目标可靠靠度.这样样可以回回避计算算结构可可靠度的的困难,认为结构构的可靠靠度等于于规定的的目标可可靠度.根据“小小震不坏坏、中震震可修、、大震不不倒”的的设防水水准,近近似处处理了结结构在地地震烈度度作用下下的“不不坏、可可修、不不倒”的的可靠度度,并并和结构构的5个个地震震破坏等等级联系系起来,可以以得到根根据规范范按设防防烈度Id设计出来来的结构构在遇到到随机烈烈度地震震时发生生某一破破坏等级级的概率率.这样,式式(7)可可以简化化为目标函数数中包含含结构设设计方案案x和设设防烈度度Id,待待求变量量只有设设防烈度度Id因此,问问题得到到简化。。优化问题题归结为为确定最最优设防防烈度.从上可以以得出,最优设设防烈度度的优缺缺点优点：强调结构构共性的的最优目目标性能能水平.操作作简便,考虑了了“小小震不坏坏、中震震可修、、大震不不倒”的的普遍性性要求,易于于和现行行规范衔衔接。局限：无法考虑结构构抗震设计中中的特殊性要要求,而强强调设计的个个性正反映了了基于性能的的结构抗震设设计思想,。。四、基于投资资—效益准则则的结构分分灾抗震设计计4.1、结构构分灾抗震设设计概念按照投资—效效益准则设计计结构时,结结构设计问题题表达为一个个优化设计问问题，即式中：X为设计向量量,目标函数W为结构在全寿寿命周期内的的总费用,C0(X)为结构的的初始造价,Cm为结构的检查查、维护和维维修费用,第三项为结构构失效损失期期望,等于所考虑的的ns个不同结构性性能分别在小小震(l=1)、中震(l=2)、大震(l=3)作用下,发生失效时结结构失效损失失期望值之和和。Plfi(X)为在某级地震震作用下基于于该性能i的结构失效概概率,[plfi]为相应的目标标值,Clfi为该性能失效效时的损失值值,ClfiPlfi代表该模式失失效时的损失失期望。gj(X)为确定性约束束条件,包括括规范给定的的结构抗震构构造要求等。。对于失效损失失很小的失效效模式,可以以允许它们有有高的失效概概率,而对失失效损失很大大的失效模式式,则应该使使其失效概率率尽量低。整个结构系统统设计为两个个部分:主体结构和分分灾元件在非灾害荷载载下,结构体体系的主体结结构和分灾元元件共同发挥挥作用,保证证结构的各种种正常使用功功能;在灾害荷载下下,结构的分分灾元件开始始发挥分灾作作用,通过一一定的分灾模模式(如耗能能、隔震方式式、改变结构构特性以减少少地震输入等等),来保保证主体结构构的安全,尽尽量使其变形形状态维持在在弹性阶段,从而维护整整个结构体系系的各种正常常使用功能.著名有限元和和结构工程领领域的专家Wilson曾出:现代结构设计计的哲理是,一个好的结结构设计方案案应使结构体体系中只有有有限的构件需需要延性,而而且整个结构构体系的破坏坏机制应很清清晰地设计出出来。这种设设计方法可以以使结构体系系在大震后的的修复费用最最小。分灾抗震设计计基本原则分灾抗震设计计应遵循以下下基本原则:(1)一体体化的结构优优化设计：根据结构总体体性概念设计计原则,利用用优化设计理理论,将结构构体系的主体体结构和分灾灾元件作为一一个整体,进进行优化设计计,同时确定定出它们各自自的设计参数数,并且要考考虑非灾害荷荷载与灾害荷荷载两种荷载载工况。(2)投资资—效益准则则：结构抗震设计计应考虑结构构的初始造价价(包括主要要功能部分和和分灾功能部部分)、维维修费用和损损失期望(包包括直接损失失和间接损失失)这三个以以经济指标来来衡量的目标标函数,根据据投资—效益益准则,结合合具体实际情情况,找到一一个使结构的的初始造价、、维修费用和和损失期望协协调起来的设设计方案。(3)结构可靠度理理论的应用：：充分考虑结构构抗震设计中中的各种不确确定因素。设设计中,应使使结构的分灾灾模式成为结结构失效概率率最大、失效效损失较小的的局部失效模模式(第一道道防线);该失效模式式的实现使原原结构体系迁迁移为一个主主要稳定构形形,其动力特特性与原结构构有较大差别别,从而有利利于继续抵御御地震作用(第二道防线线)。这样样,分灾元件件通过不同的的分灾模式,为结构提供供了两道抗震震防线。