基于性能的空间结构抗震设计研究现状与关键问题_张毅刚

建筑结构学报　Journal of Building Structures第31卷第6期2010年6月

Vol131No16June2010017文章编号:100026869(2010)0620145208

基于性能的空间结构抗震设计研究现状与关键问题

张毅刚,杨大彬,吴金志

(北京工业大学城市与工程安全减灾省部共建教育部重点实验室,北京100124)

摘要:基于性能的抗震设计是结构抗震设计的发展趋势。以基于性能的结构抗震设计研究内容和发展趋势为背景,从地震危险性分析、结构反应性能参数确定、结构抗震性能水平划分及性能目标确定、基于性能的抗震设计方法等四个方面对国内外基于性能的空间结构抗震设计研究现状进行了总结。依据有效性和充分性原则研究确定适合于不同类型空间结构的标量式、向量式或其它形式的地震动参数,提出了空间结构反应性能参数确定中的关键问题。空间结构抗震性能水平划分研究中需要综合考虑结构及非结构构件因素,通过数值仿真和试验相结合的研究手段确定能够合理划分其性能水平的自定义综合式标量指标、向量式指标或者两者结合的指标,空间结构性能目标确定及抗震设计方法研究应基于可靠度理论及“投资2效益”准则。

关键词:大跨度空间结构;基于性能;抗震设计

中图分类号:T U39313 文献标志码:A

Research status and key issues of perf or mance2based

seis m ic design of s patial structures

Z HANG Yigang,Y ANG Dabin,WU J inzhi

(Key Laborat ory of U rban Security and D isaster Engineering,MOE,Beijing University of Technol ogy,Beijing100124,China) Abstract:The perfor mance2based design is the devel opment trend of seis m ic design.Based on the research top ics and devel opment trends of perfor mance2based seis m ic design,the state2of2the2art of perfor mance2based seis m ic design for s patial structures is p rovided,with subjects on seis m ic hazard analysis,structural res ponse analysis,classification of perfor mance levels and deter m ination of perfor mance objectives,perfor mance2based seis m ic design methodol ogy. Scalar,vector and other type of ground motion parameters for vari ous types of s patial structures should be deter m ined by efficiency and sufficiency p rinci p les,and the key issues in the research of seis m ic behavior of s patial structures are p resented.In classifying the seis m ic perfor mance levels of spatial structures,the structural and non2structural elements should be considered,and the numerical si mulati on and ex peri mental methods should be used to deter m ine the user2 defined comp rehensive index,vect or2valued index or the index combining these t wo for m s.The selection of perfor mance objectives and the design methodol ogy research should be based on the reliability theory and cost2 effectiveness criteri on.

Keywords:large2s pan spatial structure;perfor mance2based;seis m ic design

基金项目:国家自然科学基金重大研究计划重点支持项目(90715034)。

作者简介:张毅刚(1949—　),男,上海人,教授。E2mail:zyg@bjut1edu1cn

收稿日期:2009年10月

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0　引言

抗震设计的基本目的是保障生命安全,然而近十几年来大震震害却显示,按现行的以保障生命安全为基本目标的抗震设计理论所设计建造的建筑物,在地震中虽然没有倒塌,基本保障了生命安全,但其造成的经济损失却异常巨大,说明以生命安全为单一的设防目标还远远不够[1]。因此,20世纪90年代初美国学者首先提出了基于性能(perfor mance2 based)的抗震设计理论,这是工程抗震发展史上的一个重要里程碑,代表了抗震设计的发展方向,其特点包括[2]:使抗震设计从宏观定性的目标向具体量化的多重目标过渡,业主和设计者可选择所需的性能目标;抗震设计中更强调实施性能目标的深入分析和论证,更有利于建筑结构的创新,经过论证(包括试验)可以采用非现行规范规定的新的结构体系、新技术、新材料;有利于针对不同抗震设防要求、场地条件以及建筑的重要性,采用不同的性能目标和抗震措施。“投资2效益”准则和建筑结构目标性能的“个性化”是基于性能的抗震设计的重要思想[3]。

大跨度空间结构是近30年发展最快的一种结构形式,被广泛用于体育场馆、车站及航站楼等交通枢纽和会展中心等大型公共建筑中,目前,大跨度空间结构工程已经在我国形成持续的建设高潮。大跨度空间结构建设费用和震后修复费用相对较高,结构整个服役期的经济指标成为设计的一个关键因素;作为公共建筑,大跨度空间结构往往成为地震发生时的避难场所,其社会功能也尤为重要。因此,以经济学、社会学和工程学为理论基础的基于性能抗震设计思想对于大跨度空间结构具有良好的适用性。然而,由于空间结构地震反应分析和破坏倒塌机理复杂,结构性能难以掌握,目前基于性能的空间结构抗震设计还处于初步的理论探索阶段,远未形成具体有效的设计方法。

本文以基于性能的结构抗震设计研究内容及发展趋势为背景,结合空间结构自身特点,对基于性能的空间结构抗震设计的国内外研究现状进行了总结分析,并提出了今后要解决的关键问题。

1　国内外研究现状及评述

基于性能的抗震设计研究主要包含以下四部分内容[1,429]:地震危险性分析、结构反应性能参数确定、结构抗震性能水平划分及性能目标确定、基于性能的抗震设计方法。111　地震危险性分析

地震危险性分析是联系地震学和地震工程学的

重要纽带,作为基于性能的抗震设计研究内容的首要部分,其研究成果对于基于性能的抗震设计研究进展有重要影响。地震危险性分析主要有两种方法[10]:即确定性地震危险性分析方法和概率地震危险性分析方法。确定性分析方法是地震危险性分析早期发展阶段的主要方法,该方法认为地震动参数是确定性的数值,包含的主观判断因素较多[11]。概率地震危险性分析方法由Cornell[12]于1968年提出,此后该方法得以广泛研究和应用,其分析成果可以用地震动危险性曲线表示,该曲线是指工程场地未来遭受的地震动参数在一定时期内的超越概率与地震动参数的函数关系曲线,常用的地震动参数有地震烈度、峰值地面运动加速度PGA(peak gr ound acceleration)、速度和反应谱[11]。文献[13]介绍了概率地震危险性分析方法的初期发展历史,文献[14]对地震危险性分析方法进行了总结回顾。

对于不同结构形式,不同地震动参数在估计结构反应时存在较大差异,因此选取合适的地震动参数是地震危险性分析的关键问题之一,其选取原则为估计结构反应时的有效性和充分性[15217]。有效性可以用某个地震动参数下结构反应参数的离散程度来评价,地震动参数的有效性越高,在估计结构的反应时便可以用相对较少的结构计算分析次数得到较大置信度的结果;充分性则可以用其它地震动参数对结构反应离散程度的影响大小来评价,某个地震动参数的充分性越好,则该地震动参数以外的其它参数对结构反应离散程度的影响越小。在估计结构反应方面,完全有效且充分的地震动参数是不存在的,但确定相对有效和充分的地震动参数是完全可行的。已有研究结果表明[18],对于一阶振型主导的结构,结构一阶周期处的谱加速度S

a

(T

1

)在估计结构反应方面比其它参数更加有效且充分。但对于非一阶振型主导,且频谱分布密集、各振型耦合作用明

显的空间结构来说,S

a

(T

1

)可能不如其它地震动参数(例如PGA)有效、充分。到目前为止,对于空间结构的地震反应分析,PGA是应用最为广泛的地震动参数[19221],但是否存在更加有效、充分的地震动参数值得进一步研究。Taniguchi等[22]指出在估计双层柱面网壳的倒塌时地震输入能量比PGA更加有效;另外,由多个地震动参数组成的向量式参数应更适合空间结构[17],Cornell课题组对向量式地震动参数在普通多高层钢筋混凝土结构中的应用进行了大量研究[15,23228],结果表明向量式地震动参数在估计地震反应时更为准确,且有效性大为提高,但向量式地震动参数在空间结构中的应用还未见报道。

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