基于结构性能的抗震设计理论与方法讲义

基于结构性能的抗震设计理论与方法1.1问题的提出1.1.1现行规范的抗震设计方法基本原理：基于力的设计方法存在问题设防目标单一：主要是保证结构安全不能有效地控制地震造成的损失1999年土耳其IzmitM7.4死1.5亡万余人，伤2万余人1989年美国LomaPrietaM7.1伤亡数百人，经济损失为150亿美元1994年美国NorthridgeM6.7伤亡57人，经济损失为170亿美元1995年日本阪神M7.1死亡5500多人，经济损失达到创纪录的1000亿美元，震后的基本恢复重建工作花费2年，耗资近1000亿美元；1999年我国台湾集镇M7.3死亡2405人，伤11306人，经济损失近100亿美元1.1.2抗震设计新理论基本原理：基于性能的抗震设计理论(PerformanceBasedSeismicDesign)基于性能的抗震设计理论是20世纪90年代初由美国学者提出，按此理论设计的结构在未来的地震灾害下能够维持所要求的性能水平。发展现状基于性能的抗震设计作为一种更合理的设计理念，代表了未来结构抗震设计的发展方向，引起了各国广泛的重视。美国推美国应用技术饭委员营会迹ATC-33赞(1992挨)浊率先将基于位窝移的设计思想付引入在用结构谦的抗震加固；翅美国联邦紧急乳管理厅资助的欺国家地震减灾扮项练目携NEHR替P信提出了在用结商构基于位移的妇抗震评估及加职固方法，座于碌199北7主年出版了《房拨屋抗震加固指般南范》死(FEMA2睛73/274抓)秋；锤ATC-40宜(1996携)削和加州结构工使程师协连会叛199可5际年公布种的诵SEAOC2铸00池0类都引入了基于举位移的抗震设孙计方法；吓美国国际规范秤委员苗会王(ICC)1群99尿7信年出版的《国昨际建筑规四范扣2000筒(比草汇案遥)乔》欺[IBC20刑00(Dra伶ft)盏]放强调了与结构材位移设计有关珠的内容。蹈2003碑蹄年美转国料ICC(返Intern善ationa某lCode出Counc喇il)斯铅发布了《建筑辜物及设施的性番能规范》日本镇199俱5波年开始进行了该为岔期叼3温年顽的左“粘建筑结构的新欠设计框架开鞠发充”捧研究项目，并哀在研究报辅告君“委基于性能的建款筑结构设业计择”集中总结了研究的成果。热200咳0扩年拜6坊月实行了新的吃基于性能的建殃筑基准肢法愉(Build允ingSt跃andard诸Law拘)钟。欧洲止199批8臣年欧榆洲辰CE请B饥出版《钢筋混谎凝土结构控制裕弹塑性反应的墓抗震设计：设隆计概念及规范换的新进展》，挤提出了用基于眯位移的方法评位估在用结构的筛抗震性能和进雪行抗震加固设弹计，将构件塑唱性铰区的曲率双转化为对混凝筐土极限压应变殊的要求，以此膀设计塑性铰区皂的约束箍筋，吉避免纵筋压屈絮并保证混凝土旱有能力达到要匪求的极限压应慧变。灌欧洲混凝土协哭会贸(CEB)新匹于果200快3捐年出版历了迹“腰钢筋混凝土建翼筑结构基于位翅移的抗震设笋计绘”绸报告。存澳大利亚则在体基于性能设计特的整体框架以耽及建筑防火性轻能设计等方面字做了许多研庸究航,制暮提出了相应的散建筑规拾范买(BCA1捆996成)附。中国侮国家自然科学时基聪金善“炊八弟五暖”难重大项淘目锻“唯城市与工程减会灾基础研乎究鬼”氏的有关专题就绕开始涉及到这笛方面的研究。林国家自然科学青基坑金比“德九草五乌”雪重大项秃目艘“员大型复杂结构益体系的关键科穗学问题和设计唇理久论垒”欲的一些专题包瘦含了这方面的扇部分内容。红中国建筑科学强研究院工程抗搞震研究所书联合国内部分燕高校和研究所野开展热了派“绢我蔽国潮200增0厨年工程抗震设景计模式规德范胳”塞的研究，并堤于柱200烛0始年列《建筑结构学殿报》第一期介饥绍了这方面的厚研究成果。喇中国工程建设绩标准化盲协会标准朝《建筑工程抗秘震性态设计通蚀则》闭（针CECS16撇0报：梦200声4胡）促沃津目前正在修订史的宿国家标准览《建筑抗震设全计规范》、《汪混凝土结构设卫计规范》只拟纳入基于性释能的抗震设计除方法璃。识特基本概念和理瓶论框架旷闹败基本概念先载合根据地震作用旬的不确定性（闷发生时间、强植度和持时等）依以及结构抗力攀的不确定性，窃对不同风险水款平的地震作用孟，使结构满足默不同的功能要竭求以。谁励锤理论框架基1造．地震风险水盼平霜(水H结azard慨Level辨)-因地震设防水准朱先未来可能作用爬于场地的地震听作用的大小。福或者说，津应选择多大强逮度的地震作为息防御的对象。站中国仙抗震设计规库范确GB5001炭1-2001顶—槐—盛三水准设防愁中国地震风险很水平鹿地震作用弄水平百5扣0鸦年超越概率枝重现期（年）涨小震车63.2%恭50正中震挥10%狐475漫大震侄2~3%渐2495~1队642录美国有关部门赤的研究报告栋FEMA2雕7伯3泄、乳SEAOC饺Vision桃2000诉鬼美国地震风险沾水平侨地震作用荷水平协FEM零A轰方案述SEAO圈C风方案指5种0坏年弄超越概率橡重现期（年）挨超越概率答重现期（年）锹常遇地震跟50%骨72业发滚惨50%玻43获偶遇地震旋20%委225狡拥元扑50%肚72从稀遇地震虾10%呢474裹垦蜂恒胆474掏罕遇地震便2%朴2475荐腹凉墙10%旦970佳2摇．性能水平（舌Perfor瞒mance翼Level煌）定建筑物在特定雄的某一地震作赚用下彼预期破坏的最呆大程度倦。输我国抗震设计钓规并范榨GB5001习1-2001南骄小震竿不坏折附基本完乐好躲基[年θ忆]=1/收55愈0阶中震梁可修嘱瓦中等破挪坏侦大震很不倒作丰严重破您坏弦饿[洪θ苗]=1/5熟0最奇美国朋SEAOC膀关于混凝土框处架的晶性能水平干性能水平岗使用良好养使用无害饼人生安全茶防止倒塌息震害程度优基本完好胸轻微破坏词中等破坏劣严重破坏职瞬擦时续Δ协/趁h己<1/500辆<1/200志<1/67放<1/40货永漆久仁Δ辱/猪h撑—辨—巧<1/200浅<1/40拼性能水平的违定性描述洗以及顷量化指标仙耳3先．性能目标陡(巴Perfor打mance张Object渔ive)海建筑物应达到格的性能水平。火结构的性能秀目标谈是指在一定超湖越概率的地震腹发生时，结构膏期望的最大破教坏程度。喷我国抗震规范冰的目标性能是企：小震不坏、挣中震可修、大痒震不倒。青建筑物烛性能目标蹈地震风险杀水平遇性能水平萝使用沟良好宋使用打无害煮人身蛙安全耀防止街倒塌刷常遇地震押a毫o步o庸o森偶遇地震蜓e婆b虚o短o奴稀遇地震远h衬f选c偏o看罕遇地震箭i表g因d恒基本承性能目标接：易a越，岂b尊，货c籍，斥d粮重要蚕性能目标盟：逝e牵，匹f抗，寇g陵特别参性能目标德：咳h捆，热i繁不印涉可互凯滩接昂此受绩：茎o逝表酸3镜FEMA2势7多3允的性能嘴目标捕地震风险哄性能水平勇正常使用谎立即入住旅生命安全过防止倒塌谣50%/5卡0顷年览a酿b遭c赤d篮20%/5沫0眼年泻e鹊f蜓g羽h材10%/5团0轿年贩i监j盟k稻l盏2%/5奸0往年喉m头n标o涝p渴FEMA2叙7西3油考虑了三类目级标性能：伏基本安全目标汤：怒k+p贷加强目标睁：捕k+p+(a权,e,i,m港)卡或均(b,f,j忘,n啊)捉的任一个，棉有限目标露：般k,p,c,忽d,g,h需表时4聋蚀香SEAOC币Vision地200包0叙的性能允目标姓地震风险垄性能水平碰完全正常使用素正常使用付生命安全尼接近倒塌蝶50%/3啦0股年亩1棍0腿0塑0将50%/5亡0很年纹2留1份0边0坚10%/5居0姻年论3传2插1伞0言10%/10蛾0额年冤3筒2研1会SEAOC君Vision盈200疗0魔考虑了三类目悄标性能：基本目标：1续主苦要奸/暴风险目标级：俘2马安全临界目标驻：惊3痛另外是，香0谦表示不可接受乔的目标。躁ATC4洲0肠没有给出一般捐的性能目标，院而很具建筑结旧构的重要性和络用途等特点，罗给除了参考目岸标性能，如普歇通建筑的目标瓶性检能怨(累结构部浅分拿)妻可取建表捡良5桃所示。芹井烛傻表穴5课逮迟ATC4南0喂的性能剧目标江素地震风险冻结构类型丑新建筑记普通加固属高人口密度博最少修理时间微50%/5筋0黄年真10%/5影0字年啄破坏控制膨生命安全标生命安全购立即入住企5%/5利0教年凳结构稳定刺生命安全幕表屈6贩日本研究报告柜的性能宝目标匆地震风险万性能水平它正常使用娘易修复注生命安全抽Ea察A诞Eb羡A域B氧Ec燕A参B若C芬Ed踢B泄C皆Ee赖C豪表找6正中，地震作用宇从艺E喘a伪到酱E烟e淋，其强度依次滴减小格，牢E蛛d征和闷E伙e晶相当于中等烈垂度的地震粱，灌E吨c治相当于高烈度复地震。根据实纪际情况，可以握采用不同的目晒标性能，帜如梦AA流A孙、太AA撞B兼、徒AB今C途、唤BB望A睡、今BB毅B斯、射BB废C道、熄CC护A龟、啊CC翠B鄙、肥CC放C柄，其中，目标娇性但能萍CC辉C绿为设计规范规弱定的最低性能运水平。泛1.3难鸣基于变形（位茫移）的抗震设鹅计理论与方法徐缠墙问题的提出挎基于性能熊的抗震设计律吐→潮炼如何扶具体操作誉（如何实现，航通过何种途径华）结构性参数侧强度跟（扛streng巾t革h宅）青，如刚始度子(惭stiffn践ess)如，幅延万性故(仗ductil岩ity)味猾→冤卖均与变形有关南刚度（变形让）袄鸽→悼田词→习舞吉→测中黎→权色构件承载力设省计（强度）冶以变形作为设抖计变量龟，最能反映结们构的性能。怜结构的破坏程就度累训梳葱扯结构构件和非久结构构件：用星层间位移缺控制破坏程度烛阴懂约束混凝土构耕件：用混凝土腊极限压应变顺控制受压破坏眼谷R袍C信构件产屈服后蛾的抗剪强度：签与构件的颗弹塑性斗变形有很大关炒系却漠竟结构的破坏程固度与变形的关鹿系比受力的关形系更为密切流。绘基于变形（位齿移）的抗震设符计到--绵以变形（位移余）作为设计变较量局（攻Deform基ation/严Displa柱cement轰-Based屠Seism汗ic作喂Desgin势曲缝DBSD闻）方法分类总直接基于位移杆的抗震设计方废法慰（稳Direct骑松Displa斤cement上-Based昌Seism搜ic事惜Desgin招）雕能力谱法放(复Capaci乌ty狮Spectr尿umMet玻hod堂)疤按延性系数的恳设计方法食（惧Ductil驱ity鞋-Based号Seism泄ic雪勤Desgin凑）杨内直接基于位移阳的抗震设计方虑法勺直接基于位移潮的方法步骤如天下：闪（粱1行）建立位移反暂应谱。基本方法爱输入地震波剧俗→详慎给衔定症偶优→摧为计算位赤移柜长→穗禽建立具有不同何阻尼比卖的位移反应谱袍规范加速度反搁应谱择盯→被恒位移秀反应谱仓宵（龄2胳）东选择一个初始村位移形状悬（仆一开始，就将穿位移作为设计状变量观）碑根据层间位移本限值确定废意雁取第一振型的夏振型曲线葛取梢某种荷载作用跑下止的侧移曲线珠（拳3丝）计算潮等效单自由度寇体系航的府目标位移统：浑山遗拖奇恳也致壮锯蛇服指貌图变1.2狂糊直接基于位移喘的抗震设计基鉴本思路桨（括4饿）确定等效单惧自由度体系的被等效质量浙：玉（想5昼）确定结构的末等效阻尼比练。皮由延性系数族和结构体系按快图酷1.锤2离（过c爆）确定。食肃累萌仁昂尚（艰6绵）根据等效位被移终及等效阻尼比专，由位移反应棒谱确定等效周封期租。侦（昆7职）确定等效单傲自由度体系的辩等效刚度背：餐远宁吼锄慕盈这妖何干（去1.何5革）遮式中，艳为等效单自由茶度体系的周期蜂，由砌图耕1.牺2宰（迅d成）根据等效单墨自由度体系的箱，录确定。种（验5井）盆计算设计基底俱剪力和水平地肺震力早：等效单自由拉度体系的位移独、刚度确定后献，等效单自由疮度体系的地震背作用皇F在d尚（跃图健1.困2融（黄b食）），即原结想构的设计基底员剪力茶V益b副由下式确定：疤晒昏勇厘嘉株侄检昼军晶（鼠1.替6营）唤水平地震力沿反原结构高度的尘分布（份图双1.棕2吧（画a各））可以用下干式计算：箩（筒6秆）捏对结构进行刚练度设计和承载划力设计。帅计算重力荷载诱效应及水平地询震作用效应，芒内力组合，截垂面配筋计算。垫（贫7般）对脸结构进行非线扣性静力分析（陈Pushov户erAna柔lysis酷），校核结构绩的侧移形状与悔预先假定的是乓否一致；评价练结构的变形及茫承载力是否满叫足要求。饮（刷8鲁）如果结构的讽侧移形状裤与预先假定的臭不一致，或者浇结构的变形及细承载力不满足廉要求，则应修搜改刚度分布和全承载力。特点：棕（丰1瞧）设计一开始互，即以搜位移作为设计叙变量就。闹（吨2即）糟根据在一定水格准地震作用下呆预期的位移际计算共地震作用乎，进行结构设撇计，以使构件得达到预期的变榴形，结构达到较预期的位移。宵（餐3恋）设计者可以仰控制结构的破喷坏状况。陈结构的侧移形忘状按满足性能演水平的层间侧继移角来控制。趋缺点绢：兵由上述可见，盒直接基于位移临的抗震设计方车法实际上仅考翠虑了结构饥第担1专振型，因而适硬用于中低层建怖筑结构的抗震辣设计，而对于受高振型影响康较大的高层及钳复杂结构会产伸生较大的误差里。新附鼓注：取见某种荷载作用泛下朴的侧移曲线研框架结构弱宋假定水平地震俊作用为倒三角田形分布，则鸡等截面剪切悬例臂杆跑（鄙图诸1骂）在任意高度无处的侧移挨可表示为咐陆湖如令和，则上式可改渠写为笛撇械款柱虫澡膛跌涉剪力墙结构燥：用作用倒三宣角形分布荷载岔的慎等截面弯曲悬圈臂杆友的侧移曲线作钓为其侧移模式兔（希图瓣2剩），任意高度誓处的侧移戴为颈元拢瞎你践粗项（飞5及）聚式中，遥为剪力墙底层歼下端截面的曲枯率。烧对卵于印“弃使用良专好胞”删性能水平，可府假定其弹性极周限为剪力墙底田层下端截面的僵曲率刚好达到薪该截面的屈服第曲率泰，相应的目标织侧移曲线为艺叉芝燕纽毯宏（包6遍）躲式中，截面的被屈服曲率骑可按下式确定烦[10]塑：耽即江同紧荣泉犬（恨7丹）奖其中，第为配置在剪力豪墙截面两端的淘纵向受力钢筋笑的屈服应变；住为剪力墙截面嫁高度。胖框斜架顶-武剪力墙结构平：可用作用倒菜三角形分布荷袄载的阻等截面弯剪悬缩臂杆热的侧移曲线作练为其侧移模式血（害图问2谈），任意高度掩处的侧移行为（8）凭式中，狗为剪力墙底层啦下端截面的曲嚼率；对目于响“所使用良纳好禾”采性能水平，可果用该截面的屈风服曲率慎代入式甜（喉8润），得到相应鬼的目标侧移曲预线；旁为框葵架壤-额剪力墙结构的壳刚度特征值。狮算紧能力谱法段1哭．抗震性能评良估2．抗震设计翅初步设计结场构蒸困→狡拔静力弹塑性分革析，建立能力壶曲延线滔受→有搞建立需求曲净线轿焰→赔脚将能力曲线与时需求曲线置于湿同一坐标中，梢交点爸为相“蜻性能配点类”总→荒蓝等效单自由度逆体系的位杀移丈差→盗停原多自由度体躺系的位阀移让举→格皂判别结构是否声满足要求蜘能力谱法派(亦Capaci粪tySpe灭ctrum镇Method瓶)照基本思想勿:晴苗在同一图上建劝立两条谱曲线刺，一条是将弓力抚-土位移曲线转化序为物能力谱曲线含，另一条为将射加速度反应谱狐转化为锡需求谱曲线拆，把两条曲线刮绘在同一图上萄，两条曲线的陈交点筒为矿“细目标位移点洁”召，亦吓称供“嗽性能点刻”古。剧地震需求词：结构在地震航作用下的反应煤（加速度、位全移、内力等）堪该图以位移为希横坐标，加速随度为纵坐标，企称为慧ADRS副(Accel镜eratio女nDisp分laceme今ntRes祸ponse夕Spectr扰um栋)择格式。豆霞“杨能力顶谱饺”乘和齐“弦需求攀谱票”京应分别称之理为遭“壮能力曲线怠(capac骂itycu拖rve答)纵”荷和念“蓄需求曲线弊(deman财dcurv稍e络)荣”捞。逝建立能力曲线酱和需求曲线是废能力谱法的关拣键。方法来1)衫推覆分析问（正Pushov舰erAna精lysi习s钩）分：在结构上施谢加静力荷载，胁进行刺Pushov删e队r欺分析，直至结近构倒塌或整体葵刚度矩蛛阵威det蚕，可以得到结脚构的基蜜底剪力虚-留顶点位移左曲临线惯[爪图傲柜（移a忍）灿]迷。图6.1.3能力谱法抚2)季建立能力曲线膏。虚假定结构的地闷震反应以第一巷振型为主，且上在整个地震反强应过程中结构堡沿高度的侧移木可以用一个不披变的形状向量沈表示，这样就睡可以将原结构酸等效为一个单缩自由度体系，针而将-纠曲线在也相应地按下恒式逐点转化为玻等效自由度体姜系的谱加速度冤-柴谱位移都曲线墙（诱ADR虎S叛格式播）叔[赖图真砖（吹b孙）最]:图6.1.3能力谱法忙沸齿酱哑辣裤臂情召(孤6券.1.2奸8构)浑式中：灾分别为结构第础一振型的振型范参与系数和模帐态质量，第一室振型向量按顶悉点向量位移迟为欠1炸正则化。悟3河）娘建立需求曲线奏。可采用两种傲方法建立需求演曲线：一是将卡规范的加速度暴反应谱转化为剑需求曲线，二单是采用地面运萍动加速度时程凑作为结构的输枕入直接建立需鸟求曲线。如采环用前者，则可灵以按下式将标读准的加速度反愚应谱（拿谱）转化为匆谱曲线欧（描ADR过S垃格式）：液阅扔擦饥感嫁婆置纠忽膨（缴闸9界）苍式中，蚊为结构自振周鸡期。浙对于不同的阻市尼比，可以按虾式（浩秃9灵）建立不同的冈需求曲线，如拥图缺6.1.担3安（丘c句1文）所示。视Chopr原a碗等织[6.13]肾提出采用春弹塑性反应谱充建立需求曲