单位文秘网 2022-02-14 08:13:04 点击: 次
摘 要:基于性能的抗震设计理论(PBSD)是新一代结构抗震方法,是未来抗震设计的主要发展方向。文章对基于性能的结构抗震设计的地震水准、结构性能水平及设计计算方法进行了全面介绍,并对基于性能的能量分析方法的过程进行了讨论。
关键词:结构抗震设计 基于性能 能量分析方法
中图分类号:TU375.4 文献标识码:A 文章编号:1007-3973 (2010) 03-004-02
由于社会的发展,近年来地震造成的损失和伤亡越来越难以估量,例如,1994年美国加州北岭发生6.9级地震,伤亡数百人,损失300亿美元;1995年日本阪神7.2级,伤亡5500人,损失1000亿美元;2008年中国汶川8.0级,伤亡14866人,损失8451亿元人民币。这些震害表明,地震动特性和强震作用下的结构反应由现存的力或位移延性指标来确定不够完善。在此背景下,美国学者在20世纪90年代初期首先提出了抗震设计的新理论—基于性态的抗震设计理论(Performance-Based Seismic Design),认为是未来抗震设计的主要发展方向。
1基于性能的抗震设计的提出
1992年美国加利福尼亚结构工程师学会成立Vision 2000 Committee SEAOC建立了新的结构性能设计体系。美国联邦紧急救援署(FEMA)和国家自然科学基金会(NSF)对基于性能的抗震设计进行了基础性研究。日本在1995年成立了三个分委员会和社会机构对基于性能的抗震设计理论进行了研究。英国等欧洲国家和智利等拉美国家也对基于性能抗震设计进行了研究。1996年的中美抗震规范学术讨论会此理论进行了交流,基于性能的抗震概念开始受到我国学者的关注,适合国情的基于性能的抗震抗震设计理论也是我国发展的趋势。
2基于性能的抗震设计的理论框架
美国加州结构工程学会Vision 2000 Committee SEAOC 1995明确提出了基于性能的抗震设计主要内容,地震设防水准、结构抗震设防目标以及抗震设计方法等几个方面内容。
2.1地震设防水准
地震设防水准是实质上就是根据抗震设防的对象选择的地震强度大小。与我国《建筑结构抗震设计规范》(GBJ11.89)相比较,我国规范中的“大震、中震、小震”的定义对应了目前提出的基于性能的抗震设计思路的地震设防水准,Vision2000建议的地震设防等级划分如表1所示。
表1 Vision2000中地震设防等级的划分
2.2结构性能水准
结构性能水准指所设计的建筑物,在可能会遇到的特定设计地震作用下所规定的最大容许破坏,或容许的极限破坏。这里的建筑物包括整体结构、结构构件、非结构构件、室内物件和设施以及对建筑性能有影响的场地设施等。与基于性能的抗震设计思路相对比,我国现行的“小震不坏、中震可修、大震不倒”的抗震设防水准对应了其中的结构性能水准。即“不坏、可修、不倒”三个性能水准,虽然定义有些模糊,但是在含义中已经包含了性能水准的划分。
2.3结构抗震设防目标
社会的发展使人们不再满足于现有的抗震设防目标,那么综合考虑了众多因素,例如建筑结构的功能、收益,震后损失和重修,以及业主的个人要求等等,而达到的某种建筑结构破坏程度的限定,即结构抗震设防目标。由于诸多的不确定因素,目前关于结构抗震设防目标在国内外的划分种类不易于达成统一的认识。我国工程建设标准化协会标准《建筑工程抗震性态设计通则》(试用CECS 160:2004)划分了各级地震动水平下的最低抗震形态要求,把抗震建筑使用功能划分为多遇地震下的基本运行和充分运行,抗震设防地震下的生命安全、基本运行、运行、充分运行四类,罕遇地震下分为接近倒塌、生命安全、基本运行、运行四类。
3结构抗震设计方法
3.1基于能量的设计法
结构的耗能能力和地震动的输入能之间的关系可以直观的体现结构的抗震性能,并且利用能量的原理设计结构可以体现地震动三要素的影响。因此,可以用能量的方法对地震作用下的结构反应做分析,从而对结构进行设计使其满足相应的抗震要求。对单自由度的能量分析法的基本原理做如下简述。
动力方程可写为:
(1)
其中:m——结构体系的质量
c——结构的粘滞阻尼系数
fs——滞变恢复力
——地面运动加速度
对在地面运动的持续时间上对公式中的dx积分可以定义公式(1)的积分表达方式:
(2)
公式的右边是地震动输入能E,利用地面运动加速度写成:
(3)
公式左边定义分别为结构动能Ek
(4)
公式(2)的左边第二项结构阻尼耗能Ed
(5)
第三项是弹性变形能Ees和结构的非弹性塑性耗能Eh之和:
(6)
在任意时刻,结构的总能量保持平衡,且平衡方程
(7)
由公式(7)可知,在地震的情况下,结构用自身的耗能来平衡地震输入的能量。地震动总输入能、地震动瞬时输入能,结构塑性耗能、结构极限耗散能力等之间的关系的研究是用能量方法进行结构抗震设计的研究内容之一,能量的计算应综合考虑场地特征、结构动力参数以及地震动特性等多种因素,才可以建立可靠的能量设计准则。
能量分析方法的基本原理可以概括为:
输入能量≤耗能能力
物理意义:在整个地震过程中,输入结构的能量不超过结构所允许的耗能能力。由于地震反应结束后,结构的动能趋于零,结构的阻尼耗能再总耗能中所占的比重较小,可以忽略不计,则方程式(7)简化为:
(8)
则能量准则相应可以写为:
(9)
该式的物理意义:如果结构的弹性应变能和滞回耗能的能量大于地震动输入能,那么在地震的过程中结构不会损坏,按能量的指标控制结构也能够满足业主要求的设防目标。
3.2其它设计方法
3.2.1基于位移的设计法
基于位移性能的抗震理论是以结构的目标位移为性能参数,在一定水准的地震作用下设计结构构件,使结构达到该地震水准下的性能要求。目前,基于抗震性能分析方法强调了结构位移性状和非线性弹塑性静力、非线性弹塑性动力分析,沿用了现行的结构体系的分析方法,实质上是基于位移的抗震分析方法为主。基于位移的分析方法目前的研究现状可以归纳为以下四种:(1)延性系数法,(2)能力谱法,(3)直接基于位移法,(4)非线性动力增量分析(IDA)方法。
3.2.2综合设计法
按照业主的要求使建筑物达到一定的性能目标是综合设计法的基本理念,这种方法也是最全面的结构基于性能的抗震设计方法,能够最大程度的提供最优方案。但是,由于考虑因素过多,涉及面广,设计过程复杂,具体实施面临较大困难。
4总结
基于性能的抗震设计工程结构的设计和发展有重要的理论和实际意义。它强调的结构设计满足了社会多种设防需求,发挥了设计人员的主动性,使业主有了自主性的选择。但是,设计方法的复杂性大大的增加了。目前对结构性能提出全面、清晰的要求和量化,以及通过合理的抗震分析和设计方法实现基于性能的抗震设计理念是21世纪的设计标准所需要的。
参考文献:
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[2]Structural Engineers Association of California (SEAOC), Performance Based Seismic Engineering of Buildings, April, 1995.
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[7]王亚勇. 我国2000年工程抗震设计模式规范基本问题研究综述[J].建筑结构报,2000.21(1): 2-4.
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