第4章抗震性能

烟囱水塔 等高柔结 构 各类木结构
89规范
• 取消了结构影响系数，即设计地震作用与结 构体系无关 以底部剪力法为例 结构的总 构体系无关。以底部剪力法为例，结构的总 水平地震作用FEk=1Geq • 验算公式中引入了构件承载力抗震调整系数 S R/RE • 小震设计地震力是将设防烈度减去1.55度， 换算到众值烈度后。
78规范
Q Q e0
在地震作用下的基底剪力 由下式计算： Q C W 0 0 式中， 0——对应于基本烈度，相 对应于基本烈度 相 应于结构基本周期的地震影 响系数 响系数； C——结构影响系数，对不 同材料和结构类型取值范围 在0.25～0.5之间，类似于美 国规范的 规范的1/R。 W——质点重量。
二、我国建筑抗震设计规范的 主要不合理处
1. 采用多遇地震烈度为抗震设计依据 与国家规定将抗震设防烈度作为抗震设防依据不一致 2. 进行多遇地震抗震设计时，结构反应按弹性分析 与结构延性的好坏无关，不符合抗震设计的基本概念 3. 设防烈度时结构的安全由构造措施保证 没有量化标准 可能构造过度也可能构造不足 没有量化标准，可能构造过度也可能构造不足 4. 按抗震等级的不同，采取构造措施及内力调整，保证 结构所需的延性 出现延性愈好，内力设计值大的错误结果
Spe ectral Ac cceleratio on, Sa (g) SDS SD1 1
Sa
S D1TL T2
To
TS
1.0 Period (sec)
TL
12
4 2 3从“延性设计 4.2.3 设计”看承载力需求
Leabharlann Baidu
M K
等能量原理
等位移原理
13
4.2.4 从“保险丝”理解延性设 计方法
F
Vb Fi
Concentrically Braced Frame
Eccentrically B Braced dF Frame
Target Yield Mechanism
Flexural Yielding Yielding
Tensile Yielding/Buckling
Shear
11
422从 4.2.2 从“刚柔之争”看安全储备 刚柔之争 看安全储备
III 类
延性框架-内藏钢板混凝土墙板结构 框架-组合钢板墙结构 延性框架-钢板墙结构 高延性框筒 延性筒中筒、延性束筒 高延性框架 高延性偏心支撑框架
IV 类
高延性屈曲约束支撑框架
改进形式
A
梁柱刚接， 单重或双重
高延性框架-钢板墙结构 高延性筒中筒、高延性束筒
改进形式 改进形式
A A
双重
2.不同延性时的地震作用折减系数与 位移增大系数
三 抗震设计理念的重新定位 三、抗震设计理念的重新定位
• (1) 抗震设计准则应该建立在设防烈度上， 准 建 在 度 非众值烈度 而非众值烈度 Q
– 美国 中震延性 Q e0 大震(50年2%)的2/3 – 欧洲 中震延性 50年 10% CQ e0 – 日本 二阶段 小震弹性 小震弹性设计 y 大震延性 中震弹性设计 e
Collapse of Masonry Buildings
Collapse of Timber Buildings
Fire
Earthquake Fatalities: 1900 - 1949 (795 000 Fatalities) (795,000
Earthquake Fatalities: 1950 - 1990 (583 000 Fatalities) (583,000
《高等钢结构与组合结构理论》
第4章 抗震性能
同济大学 土木工程学院建筑工程系
1
提纲
4.1 钢结构的典型震害 4.2 钢结构抗震的几个基本概念 4.3 3 构件和节点滞回特性 4 4 多高层钢结构体系 4.4 4 5 消能减震技术 4.5 4.6 基于性能的抗震设计
2
4 1 钢结构的典型震害 4.1
•
4 2 6 损伤指标 4.2.6
• 材料 材 • 构件 • 结构
33
材料的损伤指标
连续损伤力学 钢材的重复拉伸 塑性变形破坏 高温冷却后损伤累积
Dn AW A
N p m 0p ip 0p D( (1 ) p p p p u 0 i1 u 0
3
4 2 钢结构抗震的几个基本概念 4.2
• • • • • • 体系性能决定抗震设计 从 刚柔之争 看安全储备 从“刚柔之争”看安全储备 从“延性设计”看承载力需求 从“保险丝”理解延性设计方法 钢结构抗震设计的合理方法 损伤指标
10
4 2 1 体系性能决定抗震设计 4.2.1
F
Moment Frame
CQ e0
y e Pa
78规范的结构影响系数C
结构类别 框架结构 钢 钢筋混凝土 钢筋混凝土框架加抗震墙结构 钢筋混凝土抗震墙结构 无筋砌体结构 多层内框架或底层全框架结构 铰接排架 钢柱 钢筋混凝土柱 砖柱 钢 钢筋混凝土 砖 值 0.25 0 30 0.30 0.3～0.35 0.35～0.4 0.45 0.45 0.3 0 3 0.35 0.40 0.35 0.40 0.50 0.25 相应降低烈度 2° 1 74° 1.74 1.74～1.51° 1.51～1.32° 1.15° 1.15° 1.74 1 74° 1.51° 1.32° 1.51° 1.32° 1° 2°
一、我国建筑抗震设计方法的历史沿革 我国建筑抗震设计方法的历史沿革
• 《工业与民用建筑结构抗震设计规范》 建 结构 TJ 11-78 按美国规范的模式编制，很不完善 • 《建筑抗震设计规范》GBJ11-89 GBJ11 89 在设计概念上作了较大修改 • 《建筑抗震设计规范》GB50011-2001 基本上沿用了89规范的思路
六 保证延性的几个关键措施 六、保证延性的几个关键措施
• 1. 梁柱刚性节点的延性要求 柱 性 性 性转动能力 ——塑性转动能力 • 2. 梁柱截面的延性要求 ——截面板件宽厚比 • 3. 构件受压的延性要求 ——构件长细比
七、必须进行罕遇地震作用下的弹 塑性分析验算
• 按罕遇地震作用计算时，宜采用弹塑性时 程分析方 程分析方法 对于第III、IV类结构体系或特别不规则的 结构体系，应采用弹塑性时程分析方法。
中震延性设计 P
a
3 抗震设计理念的重新定位(续) 3.
• (2) “小震不坏”并非“小震弹性设计” 弹性 • (3) 构造措施的延性要求取决于结构体系的 延性设计目标，而非取决于抗震设防烈度
四 抗震设计的合理步骤 四、抗震设计的合理步骤
1. 根据期望的延性水平选择合适的结构体系 1 2. 确定考虑延性的地震作用 确定考虑 性 作用 3. 根据所选结构体系的特点和延性要求，对 构件是否允许进入塑性进行规定和区分 4. 构件设计： (1)对于不允许进入塑性的构件，弹性设计 对于不允许进入塑性的构件 弹性设计 (2)对于允许进入塑性的构件和节点，采用 有效的措施确保其能够达到预期的延性 5. 采用弹塑性时程分析方法进行第二阶段的 抗震验算
塑性铰＝抗震保险丝 保险丝控制承载力 保险丝先破坏 确保保险丝的变形能力
14
延性设计＝ 塑性承载力 ＋概念 概念设计 ＋构造措施
4 2 5 钢结构抗震设计的合理方法 4.2.5
一、我国建筑抗震设计方法的历史沿革 我国建筑抗震设计方法的 史 革 二、我国建筑抗震设计规范的主要不合理处 三、抗震设计理念必须重新定位 四 抗震设计的合理步骤 四、抗震设计的合理步骤 五、根据延性水平、结构体系确定地震作用折减系数 六 保证 性的几个关键措施 六、保证延性的几个关键措施 七、必须进行罕遇地震作用下的弹塑性分析验算
Landslides Other Causes Collapse of Timber Buildings Collapse of RC Buildings Collapse of RC Buildings Landslides
Fire
Collapse of Masonry Buildings
Other Causes
框架部分的设计地震剪力/整个结构的地震总底部剪力 单重抗侧力体系 <25% 双重抗侧力体系 25%
延性 类别
塑性铰区 结构体系 梁柱节点连接形式 构件截面 类别 高延性中心支撑框架 延性偏心支撑框架 延性屈曲约束支撑框架 高延性框架-钢筋混凝土墙板结构 传统改进形式 传统改进形式 传统形式、传统改进形式 改进形式 改进形式 传统改进形式 传统改进形式 改进形式 传统改进形式 改进形式 改进形式 B B B B B B B B B A A 梁柱刚接， 单重或双重 双重 梁柱铰接 梁柱铰接 双重 单重或双重 单重或双重 单重 其它
2001规范
• 增加了结构阻尼比的影响，规定对钢结构为 0.02,混凝土结构为0.05。 • 钢结构相对混凝土结构地震力提高系数
T Tg
T 5Tg 1.0
T 1.0 5Tg
平均值 1.107 1 267 1.267
12层 > 12层
1.126 1 319 1.319
1.087 1 215 1.215
p D p u
D DN 1 DT DN 2
34
构件的损伤指标
• 单参数累积损伤模型 单 数 伤模
– 变形参数
c 0 D u 0 – 能量参数
m
c u i u
b
– 强度参数
35
构件的损伤指标
• 多参数累积损伤模型 数 伤模
弹塑性分析的验算内容
• • 水平层间位移 用于罕遇地震作用下层间位移验算 结构进入塑性或者塑性铰出现的部位 用于( (a) )验 验证结构是否在预期的部位进入 结构是否在预期的部位进入 塑性或者出现塑性铰，(b)校验结构是否 会形成局部破坏机构 塑性铰的塑性转动量 用于校验罕遇地震作用下塑性铰的塑性转 动需求量是否超过结构构件、节点的预期 塑性转动能力
五、根据延性水平、结构体系确定 地震作用折减系数
1. 不同结构体系及构造的延性水平 结构体系 构 性 2 不同延性时的地震作用折减系数与位移增 2. 大系数 3. 各国地震作用折减系数和位移增大系数比 较
1.不同结构体系及构造的延性水平
延性 类别 普通框架 I类 普通中心支撑框架 普通框架-钢筋混凝土墙板结构 普通框筒 普通桁架筒 普通框筒、普通桁架筒 延性框架 延性中心支撑框架 II 类 延性框架-钢筋混凝土墙板结构 普通框架-内藏钢板混凝土墙板结构 延性框筒 延性桁架筒 延性框筒、延性桁架筒 普通筒中筒、普通束筒 塑性铰区 结构体系 梁柱节点连接形式 构件截面 类别 传统形式 传统形式 传统形式 传统形式 传统改进形式、半刚性连接 传统改进形式 传统改进形式 传统改进形式 传统改进形式 传统形式 C C C C B B B B B C 单重或双重 双重 单重或双重 单重 单重 其它
FE RS FEk
S E
结构体系延性类别 I类 II类 III类 IV类
RS
10 1.0 0.85 0.7 0.6
S
10 ? 1.0 1.1 ? 1.2 ? 1.3 ?
3.各国抗震规范结构影响系数相对值
规范、规程 普通框架 I 普通框筒 普通 CBF 延性框架 II 延性框筒 普通双重体系 延性 CBF 普通 EBF III 高延性框筒 延性双重体系 普通 UBBF 高延性框架 IV 高延性 EBF 高延性双重体系 高延性 UBBF 0.45 0 53 0.53 0.64 0.75 0.65~0.83 0.47~0.60 0.35~0.45 0 35 0 45 0.35~0.45 0.3~0.39 0.28~0.39 0.3~0.39 0.26~0.34 0.26~0.34 0.26~0.34 0 26~0 34 0.26~0.34 0.42~0.49 0.41~0.50 0.45 0.41 0.57 0.68 0.68 0 68 0.68 0.68 0.56 0.58 0.83 0.58 0.66~0.74 0 66 0 74 0.66~0.74 0.62 0.57 0.62 建议值 美国 ASCE 7-05 0.6~0.77 欧洲 EC8 日本 0.66 0.69 0.69 中国 CECS