基于性能的建筑结构抗震设计

第33卷第3期建 筑 结 构2003年3月基于性能的建筑结构抗震设计

汪梦甫

(湖南大学土木工程学院 长沙410082)

周锡元

(中国建筑科学研究院抗震所 北京100013)

[提要] 就基于性能的建筑结构抗震设计的几个关键环节进行了讨论,给出了结构整体设计的总框图及设计中各关键环节的子框图,较为清晰地展现了基于性能的建筑结构抗震设计的基本过程。

[关键词] 基于结构性能 抗震设计 框图

Some key areas of performance based e arthquake resist ive design of building struc tures are discussed in details.T he global framework of struc tural design and sub frameworks of every key areas are presented.The fundemental proce dure s of performanc e based ea rthquake resistive design of building structure s are demonstrated.

K eyword s:performanc e based ea rthquake resistive design;framew ork;design procedure

一、前言

现行建筑结构抗震设计准则是 小震不坏、 中震可修、 大震不倒,即以满足截面承载力要求保证 小震不坏,由结构非线性反应计算进行变形条件的验算从而实现 大震不倒,以特定配筋增强截面及构件延性达到 中震可修。现行抗震规范的这种设计思想在建筑结构的设计实践中遇到了很大的困难,首先是 大震作用下建筑结构的变形验算基本上没有进行,原因是缺乏有说服力的结构非线性地震反应分析方法;其次是 小震作用下建筑结构线性地震反应分析方法要么过于粗糙、简单,要么过于复杂、耗时,有的甚至无法进行精确分析;而现行的高层建筑结构的抗震构造措施过于强调提高截面构件的延性,缺乏提高整体结构抗震性能的有效构造措施。近十几年来,国外中、强地震震害表明,依此种设计思想设计的建筑结构倒塌的极少,可以说能基本保证生命安全,但其财产损失往往超过了社会和业主所能承受的范围。社会和业主希望能震前预知结构可能的损失,更希望能按照其意图制定并实现结构的抗震性能目标。

基于现有建筑结构抗震设计规范的缺陷及存在的问题,为了更好地满足社会和公众对结构抗震性能的多种需求,美国联邦紧急救援署(FEM A)和国家自然科学基金会(NSF)资助开展了一项为期6年的行动计划,对未来的抗震设计进行了多方面的基础性研究,提出了基于性能的抗震设计理论,包括设计理论的框架、性能水准的定性与定量描述、结构非线性分析方法[1]。日本、新西兰、欧共体、加拿大、澳大利亚相继开展了基于性能的结构抗震设计理论的研究。2000年11月15日,这些国家的地震工程研究人员汇集日本国土交通省建筑研究所,就基于性能的结构抗震设计理论的概念性框架、荷载与反应、抗震设计等主要内容进行了学术交流。可以肯定地说,基于性能的结构抗震设计理论已成为这些国家地震工程研究的热门课题。

我国在该领域的研究是近几年的事,主要集中在如何消化国外研究成果,这在新的!建筑结构抗震设计规范∀中得到了一定程度的体现。我国工程抗震界普遍认为,中国21世纪的抗震设计规范应顺应国际发展,发展适合国情的基于性能的结构抗震设计理论。

性能目标#概念设计#结构设计

结构性能的抗

震安全评价

不

符

合

要

求

性能控制措施

不

符

合

要

求

设计修改

符

合

要

求

结构抗震性能的

社会经济评价

符合要求

结 束

不符合要求

图1 性能设计流程图

二、基于性能的结构抗震设计理论的框架

与传统的结构抗震设计相比,基于性能的结构抗震设计在内容和形式上有了实质性变化,几乎每个从事性能设计研究的国家都构造了这种最新抗震设计的理论框架,尽管细节存在差异,但基本内容相同,图1是本文给出的性能设计总框图。

从设计流程图来看,基于性能的结构抗震设计涉及工程地震、岩土工程、结构工程、建筑学及社会经济等诸多科学,每一个过程均涉及了一个广泛的研究领

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域,基于性能设计的挑战在于要明确每一个过程的关键技术,并展开研究,在不断的探索与进步中使基于性

能的设计更加接近现实。

图2 放眼21世纪委员会SEAOC 的性能目标

三、基于性能的结构抗震设计的性能目标性能目标是社会和业主期望的结构性能,应包括两方面内容,即地震动性能指标和在确定地震地面运动作用下结构抗震的性能目标。图2是美国加州结构工程学会放眼21世纪委员会(Vision 2000Committee SEAOC(1995))给出的性能目标。

图3是本文给出的性能目标详图。它表明传统的地震危险性概率分析方法仍然是地震动性能划分的有力工具,但已不是单一用途的地震危险性分析方法,多种用途的危险性分析才能适应这种设计方法的要求。而对各种梁、柱、墙构件乃至整体结构实验结果及震害调查结果的定性定量分类,用强大的数据库进行综合非常必要,这种数据库甚至可提供构件及结构性能标准的图形形式。

性能目标

结构性能目标的划分及定性定量标准

结构性能的数据库

梁、柱、墙等构件及各类结构性能的宏观描述梁、柱、墙等构件及各类结构性能的量化指标地震动输入的划分及定性定量标准

多用途地震危险性分析概率方法土质条件、液化、失效、土 结构相互作用的概率分析方法考虑地震环境的地震危险性分析地震断裂、震陷、滑坡的概率分析方法

图3 本文给出的性能目标详图

四、基于性能的结构抗震概念设计

概念设计是对结构总体方案、设计策略和结构构造进行定性的引导,以提高结构综合抗震能力。而基于性能的结构抗震概念设计强调以性能目标为基础,对什么样的性能目标,就应采用什么样的概念设计,但概念设计的内容大致相同,图4列出了其详细的情况。

五、基于性能的建筑结构设计

结构设计就是确定结构体系、非结构体系的各种

几何参数与详细构造,保证整体结构在未来的地震作用下可以达到预期的性能目标。

基于性能的高层建筑结构抗震设计,以能量或变形为指标进行结构及构件设计。图5是其流程图。

概念设计

概念设计原则

结构体系与建筑材料选择建筑平面及立面体型选择结构基础方案选择非结构构件选择

图4 基于性能的结构抗震概念设计

结构初步设计

结构及构件能量与变形估算

结构初步设计修改

结构及构件能量与变形精确

结构最终设计

补充设计

图5 基于性能的高层建筑结构抗震设计流程图

在结构设计过程中,结构抗震计算方法极为关键。由于结构设计存在多性能目标,结构的线性与非线性计算方法在设计中都会得到应用,为了适应基于性能设计的需要,结构设计计算方法应具备如下特点:1)一目了然,以便设计人员能针对设计问题的概念公式勾划数量上的解答;2)灵活多变,以便设计人员能针对不同设计目标和结构体系得到合理的数值分析结果;3)简洁实用,使设计人员能在初步设计阶段方便地改进或完善最初的概念设计,同时在最终设计中行之有效。

结构设计计算的基本内容应以结构和构件的能量、变形反应为主要目标,精确方法与实用方法并重。图6是结构设计计算相应的框图。

结构设计计算

计算方法

实用方法(反应谱法、Push over 方法、能量法)精确方法(时程分析法)

简化方法、经验公式、解析方法

计算模型

节点及非结构构件的线性与非线性分析模型梁、柱、墙等构件的线性

与非线性分析模型

结构整体分析的线性与非线性分析模型计算工具

计算机软件弹塑性手算

图6 结构设计计算

六、结构性能的抗震安全评价

结构性能的抗震安全评价是指在确定的地震动性能指标下,结构在刚度、强度、最大及累积变形能力方面所具备的抗震安全程度的估计。从目前的工程应用

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