結(jié)構(gòu)基于性能的抗震設(shè)計(jì)分析討論

王東波 劉滿紅

(太原理工大學(xué)建筑與土木工程學(xué)院，山西太原 030024)

1 概述

基于性能的抗震設(shè)計(jì)理論是20世紀(jì)90年代初由美國學(xué)者提出，旨在使結(jié)構(gòu)在未來的地震災(zāi)害下能夠維持一定的性能水平。是一種更合理的設(shè)計(jì)理念，將是未來結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)的發(fā)展方向，目前已引起了各國的廣泛重視。

日本在1995年開始進(jìn)行了“建筑結(jié)構(gòu)的新設(shè)計(jì)框架開發(fā)”項(xiàng)目研究，為期3年，并總結(jié)了研究成果。在此基礎(chǔ)上實(shí)施了新的基于性能的建筑基準(zhǔn)法。

中國建筑科學(xué)研究院工程抗震研究所聯(lián)合國內(nèi)部分高校和研究所開展了“我國2000年工程抗震設(shè)計(jì)模式規(guī)范”的研究，并在《建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報(bào)》中介紹了研究成果。目前正在修訂的國家標(biāo)準(zhǔn)《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》擬納入基于性能的抗震設(shè)計(jì)方法。

2 基于性能的抗震設(shè)計(jì)的基本概念及設(shè)計(jì)方法

2.1 基于性能的抗震設(shè)計(jì)的基本概念

我國抗震設(shè)計(jì)規(guī)范提出“三水準(zhǔn)，兩設(shè)防”的設(shè)計(jì)方法。地震設(shè)防水準(zhǔn)是指在未來一段時間內(nèi)可能作用于場地的地震作用的大小，或者說，應(yīng)選擇多大強(qiáng)度的地震作為防御的對象。中國地震風(fēng)險水平見表1。

表1 中國地震風(fēng)險水平

對應(yīng)的“小震不壞，中震可修，大震不倒”三水準(zhǔn)，相應(yīng)的地震最大影響系數(shù)的比值1∶2.8∶(4.5～6)。這種設(shè)計(jì)方法雖然在大震情況下不至于倒塌，避免了人們的生命安全的損失，但是結(jié)構(gòu)倒塌造成的各種經(jīng)濟(jì)損失以及重新修復(fù)等措施，會給社會災(zāi)后重建帶來更重的負(fù)擔(dān)。而改進(jìn)這種抗震設(shè)計(jì)方法使損失降至可控范圍，這就需要對結(jié)構(gòu)進(jìn)行基于性能的抗震設(shè)計(jì)。

2.2 基于性能的抗震設(shè)計(jì)方法

1)承載力設(shè)計(jì)方法。承載力設(shè)計(jì)方法是在實(shí)際工程應(yīng)用中比較常見的一種設(shè)計(jì)方法，通過非線性靜力分析(Push-over)進(jìn)行設(shè)計(jì)驗(yàn)算，可以對結(jié)構(gòu)非線性變形進(jìn)行控制，并能達(dá)到預(yù)期的性能目標(biāo)，但是對于結(jié)構(gòu)進(jìn)入彈塑性階段時，該方法需要對結(jié)構(gòu)進(jìn)行折減，故在一定程度上失真。

2)基于位移進(jìn)行抗震的設(shè)計(jì)方法。將位移作為整個結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)的起點(diǎn)，假定位移或?qū)娱g位移是抗震性能的控制因素，以位移作為設(shè)計(jì)變量。根據(jù)預(yù)期位移計(jì)算地震作用，進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，使構(gòu)件達(dá)到預(yù)期的變形，結(jié)構(gòu)達(dá)到預(yù)期的位移。

結(jié)構(gòu)的側(cè)移形狀按滿足性能水平的層間側(cè)移角來控制。直接基于位移的抗震設(shè)計(jì)方法僅考慮了結(jié)構(gòu)第1振型，僅對中低層建筑結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)適用，對于高層及復(fù)雜結(jié)構(gòu)會產(chǎn)生較大誤差。

3)能力譜法。基本思想:在同一圖上繪制兩條譜曲線，一條是將力—位移曲線轉(zhuǎn)化為能力譜曲線，另一條為將加速度反應(yīng)譜轉(zhuǎn)化為需求譜曲線，兩條曲線的交點(diǎn)為“目標(biāo)位移點(diǎn)”，亦稱“性能點(diǎn)”。建立能力曲線和需求曲線是能力譜法的關(guān)鍵。其交點(diǎn)對應(yīng)的位移為等效單自由度體系的等效位移，再將其轉(zhuǎn)化為原結(jié)構(gòu)的頂點(diǎn)位移，即“目標(biāo)位移”。

4)基于位移延性系數(shù)的設(shè)計(jì)方法。也稱作截面變形能力設(shè)計(jì)方法，是根據(jù)對截面的屈服曲率確定位移延性比需求，從而計(jì)算出需達(dá)到的曲率延性比。

3 實(shí)際工程中的應(yīng)用

本文對結(jié)構(gòu)的非線性分析，采用彈塑性靜力或彈塑性動力分析方法，而動力分析中合理的選取地震波比較困難，故實(shí)際應(yīng)用中彈塑性靜力分析(Push-over)被廣泛應(yīng)用。

彈塑性靜力分析方法可以通過對需求譜曲線與能力譜曲線的交點(diǎn)，也就是性能點(diǎn)來參考結(jié)構(gòu)在地震作用下的效應(yīng)，分析的結(jié)果主要根據(jù)性能點(diǎn)處所對應(yīng)的結(jié)構(gòu)變形，如層間位移角是否滿足抗震設(shè)計(jì)規(guī)范規(guī)定的層間位移角限值、梁柱的塑性鉸出現(xiàn)塑性變形是否超出某一水準(zhǔn)下地變形要求等。

4 結(jié)語

基于性能的抗震設(shè)計(jì)是以結(jié)構(gòu)抗震性能分析為基礎(chǔ)的，使結(jié)構(gòu)在未來不同的抗震等級的地震作用下達(dá)到預(yù)期的抗震性能目標(biāo)，克服了基于承載力抗震設(shè)計(jì)不能預(yù)估結(jié)構(gòu)屈服后抗震性能的缺陷。但基于性能的抗震設(shè)計(jì)仍存在一些問題，有待于今后工作中作進(jìn)一步研究。

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