基于性能的抗震设计及Pushover分析方法的研究_汪运梅

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汪运梅,等:基于性能的抗震设计及Push -over 分析方法的研究

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　《工程与建设》　2010年第24卷第1期

收稿日期:2009-10-10;修改日期:2009-10-30

作者简介:汪运梅(1985-),女,安徽六安人,合肥工业大学硕士生;

陈道政(1964-),男,安徽合肥人,博士,合肥工业大学教授.

基于性能的抗震设计及Push -over 分析方法的研究

汪运梅,　陈道政

(合肥工业大学土木与水利工程学院,安徽合肥　230009)

摘　要:基于性能的抗震设计(PBSD )是20世纪90年代国际抗震工程界提出的新概念,也是工程抗震发展史上的一个重要里程碑。文章详细阐述了基于性能的抗震设计方法产生的背景和基本理论,其中静力弹塑性Push -over 分析方法是实现基于性能的抗震设计的重要方法;概述了Push -over 分析方法的基本原理,并给出利用SAP2000程序进行Pu sh -over 分析的计算步骤。关键词:弹塑性;基于性能的抗震设计;Push -over ;S AP2000;能力谱

中图分类号:TU973.31 文献标识码:A 文章编号:1673-5781(2010)01-0074-04

目前,各国抗震设计规范多数采用的是“小震不坏,中震可修,大震不倒”的多级设计思想,但其实质

是以保证人的生命安全为原则的一级设计理论,据此设计的建筑在罕遇地震下可以避免倒塌而不危及人的生命安全,但地震所造成的经济损失即建筑使用功能的丧失和震后恢复重建费或所花费的时间可能大大超过社会和业主所能承受的限度。如何改进现行的抗震设计理念,使结构在未来地震中的损失不超过

人们预期的损失范围,在这种需求下基于性能的抗震设计理论应运而生。

1　基于性能的抗震设计理论(PBSD )

(1)PBSD 的主要步骤。基于性能的抗震设计(PBSD )的主要步骤应包括确定地震设防水准、结构抗震性能目标、结构抗震分析和设计方法以及目标评价等方面,如图1所示。

图1　建筑结构基于性能设计的基本流程图

(2)PBSD 的地震设防水准及性能水准。对于

基于性能的抗震设计,为实现多级抗震设防水平,控制不同地震作用下结构的破坏状态,就要细化地震设防水平。设防地震水平是按不同强度地震重现期或超越概率来表示的。文献[1]中建议地震设防等级,

见表1所列。

对不同地震设防水准,结构应达到相应的性能水准。结构的性能水准表示建筑物在特定的某设防地震水准作用下预期破坏的最大程度。它的确定应兼顾主体结构的安全性和非主体结构的破坏程度,主体

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　表1　PBS D 地震作用设防水准

地震发生频度

地震设防水准重复发生时间/年

超越概率多遇水准143

30a 内50%偶遇水准27250a 内50%罕遇水准347550a 内10%稀罕水准497050a 内5%或100a 内10%

极罕遇

水准5

2475

50a 内2%

注:水准1相当于我国目前的“小震”设防水准;水准2相当于我

国目前的“中震”设防水准;而水准3相当于我国目前的“大震”设防水准。

结构和非主体结构的破坏引起的后果主要用结构的功能性和人员的安全情况来描述。文献[2]在总结美国

权威研究机构SEAOC 、ATC 和FEMA 研究成果的基础上,提出用结构位移来划分性能水准,见表2所列。

表2　PBS D 抗震性能水准

地震设防水准位移限值

生命安全情况与使用情况

结构损失状况水准1<0.2结构功能完整而可立即使用,生命安全

基本完好水准2<0.5经过稍微维修即可使用轻微损伤水准3<1.5结构发生需要进行大量修复的损伤

中等损伤水准4<2.5结构发生无法修复的损伤,接近倒塌严重损伤水准5

>2.5

结构发生倒塌

倒塌

(3)地震设防的性能目标。结构抗震设防目标是针对每一地震设防等级而期望达到的建筑物抗震

性能水准或等级。结构抗震设防目标的建立需要综合考虑场地特征、结构的功能与重要性、投资与效益、震后损失与恢复重建、潜在的历史或文化价值、社会效益与业主承受能力等诸多因素。文献[1]建议将结构的性能目标分为3种等级,即基本目标、重要目标和最高目标。其建议的地震设防等级与结构的抗震设防目标、抗震性能水准的关系,见表3所列。

表3　建筑抗震性能目标

地震发生频度性　能　水　准12

3

4

多遇基本目标偶遇重要目标基本目标罕遇最高目标

重要目标基本目标稀罕

最高目标

重要目标

基本目标

注:基本目标是一般建筑的最低期望性能水准;重要目标是医院、

公安消防、学校及通讯等重要建筑的最低期望性能水准;最高目标是含核材料等特别危险物资的特别重要建筑的最低期望性能水准。规范给出的性能目标是最低标准,结构性能目标可以根据业主的要求采用比规范目标更高的水准。

2　基于性能的抗震设计(PBSD )方法

在PBSD 中,为了达到不同水准地震下结构的性能目标,需要建立合理的结构模型并采用可行的分析方法对结构进行受力分析,性能目标可以用各种形式的结构反应参数来表示。如侧移、延性、结构损伤系数、层间位移角及变形率等,由于PBSD 需要考虑不同水准地震作用下结构的性能水准,故不仅需要在低级水准地震作用下对结构进行弹性分析,而更重要的是在强烈地震作用下的非线性分析。对于弹性结构分析,可采用比较成熟的弹性静力或弹性动力分析手段。而对于非线性分析,可采用弹塑性时程分析或静力弹塑性分析方法,由于弹塑性时程分析计算量大,分析复杂,且在合理地选择地震动时程方面也有很大困难,故不适于实际设计应用。而静力弹塑性分析方法(Push -over )目前在国际上被广泛推广使用,根据(Push -o ver )分析方法的原理,可以在不同软件或程序中进行实现,其中很多商业软件的新版本:如SAP2000、ETABS 、ANSYS 、M IDAS 、ABAQ US 和EPDA 等专门加进入了(Push -o ver )分析的模块,使其操作步骤大为简化。

3　应用SAP2000进行Push -over 分析

3.1　能力谱法的基本原理

(1)按规范或经验设计方法进行结构的承载力

设计。通过静力弹塑性分析(push -ov er )[3]

得到单调

增加水平荷载作用下的结构底部剪力与顶点位移(V -Δ)的关系曲线。

(2)对第一振型地震反应为主的建筑,可用等效单自由度体系代替原结构。将V -Δ曲线用(1)式转化为等效单自由度体系下结构的谱加速度和谱位移S a -S d 的关系曲线,即能力谱曲线。

S a =V /M ＊

S d =Δ/Г

(1)

其中,M ＊、Г为结构第一振型模态质量和振型参与系数;Δ为第一振型向量按顶点向量位移为1正则化。

(3)用规范加速度反应谱作为结构的地面运动输入,用(2)式将其转化为S a -S d 弹性需求谱曲线(ADRS 谱)。

S a =2πT

2

S d

(2)

实际结构在Push -o ver 分析中构件将进入弹塑