高等结构分析与设计理论5

2、抗震性能化目标保：障内部防灾设施正
针对每个工程，比常基运本转目，标或更防具止体有、害
物质扩散而设的可达
灵活、明确、定量到并最切低实性可态行水的准设的防性
防止设施目内标有。害但物质不扩得低于态基目本标设。防如目医标院。、警
散危及大众安全的性态 务、消防、交通中心、
水准，生如产中或震储不存大屈量服、大急震控可中修心等、。避难所，
∑ F1 = γ1Sa (T1) (mi X1,i ) i =1
D1,con = γ 1Sd (T1 ) X 1,con
Vi
Vi
∆i，con
加速度 相对值
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S ai
=
Vi µ1G
Sdi
= ∆i,con γ 1 X1,con
谱
n
∑ γ 1 (mi X1,i )
加 速
µ1 =
i =1 n
度
∑ mi
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高等结构分析及设计理论
高等结构分析 及设计理论
第五章 基于性态的结构设计方法 5.1 概述 1、发展需求
陆玛、北岭地震，震级8-9， 人口稠密地区，死伤少于100人， 直接财产损失分别为70亿和150亿 美元。神户1000亿美元，死伤多 数因次生灾害。
近二十年地震灾害表明，按照传统抗震设计准则设计的建筑物，基 本上能够保证生命安全，但是财产损失远远超过了社会承受能力。
多遇地震 设防地震 罕遇地震
50年
50年内63%
475年
50年内10%
1600年2400年
50年内2-3%
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指遭遇设防地震影响时，结 高等结构分析及设计理论 构进入非弹性工作阶段，但
3 性态设计目标：
非弹性变形或结构体系的损 坏控制在可修复的范围
指遭遇设防地震影响 时，结构进入非弹性工
抗震性态遭目遇标多：遇建地震筑影物响在时某，设建计筑地仍震处水准下期望达到的性作或阶结态段构水，体准但系。非的弹损性坏变控形制
有毒、爆炸及放射性物 储油储气罐、电脑芯
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质的设施或建筑物
片生产装置等
2
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4 性态设计目标的选择及对应的设计准则：
选择最低性态水准的设计目标：设计师提供咨询，向业主说明地震灾害、 经济分析以及所选性态目标可能要承受的风险，由业主做出选择。
选择更高的性态目标：根据需要，可提高性态设计水平，在一个或多个设 计地震水准上提高性态目标，减少损失可能性。但需付出一定经济代价。
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对应的设计准则：
与性态目标对应的设计验算量化限定标准。如 [θ]1/550 这关系到各国的防灾标准、可靠度标准、产品标准、技术标准等国家工 业化体系的性态水准量化参数标准体系。该体系一旦建立，包括结构分 析与设计方法在内的全部PBE工作才得以完成。
Bertero RD and Bertero VV给出的PBE建议
6、中国《建筑抗震设计规范》于2001年引入了基于性态的设计思想，采取 了吸纳隔震、减震技术，进行非线性分析方法等措施。 2004年出版协会标准 《建筑工程抗震性态设计通则（试用）》（CECS 160:2004 ）
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意图：
让业主或使用者参与决策，在保证结构安全的同时，在所预测的地震 作用下实现预定的功能目标，使结构寿命周期范围内的总费降至最低。
（3）实施步骤： A. 预设性能点：在承载力谱上选定性能点加速度设定值ap和位移
设定值dp； B. 根据ap、dp值和承载力谱设定结构滞回曲线(可用等能量原理简
参数的一系列离散的地震事件。
B. 设计地震水准应包含的信息：某地区震级、震中距、断裂传播方向、 地层构造及场地状况等直接影响地震动参数；地震重现期、出现概率 等影响地震风险程度、且具灾害共性特点的因素。
C. 例如：美国VISION2000用一系列地震动参数和具有出现概率或重现期 的相关震害参数来表达设计地震水准。具体工程的设计地震水准在不 同的场地将是不同的，取决于场地地震特性、社会和经济对损伤的接 受水平。下表为VISION2000 用于建筑性态设计的设计地震水准。
震造成的财产损失及灾后加固费用、实现重要建筑及设施在大震下的正
常运转。
已不太适应现代经济
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建设和社会发展的需要
3、解决出路
工程建设投资，震高等结构分析及设计理论 后修复资金，日常 的维护要资金。
使投资在建筑物的整个寿命周期内发挥最大功效是一个关系到社会可 持续发展的、日益尖锐的重大问题。
因此，要求全部技术人员（不仅是建筑师）全方位考虑建筑功能的可 靠性需求（不仅是结构安全）、资金投放规模和速度，使其在建筑功能性 （含紧急状态下的功能）、经济性（含建设和终身维修、维护费用）和安 全可靠性等多方面达到最佳组合，体现 “投资-效益”的准则，使所建工程成 为综合考虑这些因素的最优方案。
5.4 结构抗震性能参数及评估方法 1. 建立和判断性能点P
（1）原理：将结构承载力谱和地震需求谱放在同一 (Sd, Sa)坐标系内进 行比较，可建立并判断性能点。 （2）方法：目前许多（国际）学术机构采用了不同的方法，没有统一 标准。较为成熟的方法有：承载力谱法（ATC-40，图4-29）；位移系数 法（FEMA-273）；折减系数法（Rein horn）等。
接近倒塌状态（即生命安全受到威胁，损伤严重，但不倒塌） NP。
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地震灾害包括高直等接结灾构害分，析如及断设裂计、理地论
表震动、地基液化、摇摆、滑坡及不
均沉降；间接灾害，如海啸、洪水、
2 设计地震水准：
火灾、爆炸、毒物泄露以及心理疾病
等。通常，在一定时期内，小地震概
A. 设计地震水准：反映地震灾害严重程率度高、，可中型获、得大结型构地安震全概及率性低态。设计
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5.1 投资效益准则及决策原理
综合考虑建筑物的使用情况、建筑物功能的重要性、建筑物损坏及人 员伤亡所导致的直接及间接经济损失、建筑物作为历史或文化名胜的潜在 重要性，在整个寿命周期内让上述相关总费用达到最小，即通过优化方 法，降低下式给出的寿命周期总费用：
∑ Ctot = Cb + Cm + Pf Cf
例如：
1、1995 年加州结构工程师协会启动了Vision2000 行动计划，加紧研制基于性 态的地震工程技术框架。在设计地震动量化、建筑性态水平量化、抗震概念 设计具体化、结构计算与设计方法、结构抗震性能评价方法、结构控制减震 技术、设计方法的经济性等多方面都进行了大量深入研究。
2、FEMA、ATC、土木工程协会、建筑地震安全理事会联合启动了大规模 行动计划，于1997年在世界上率先出台了以基于性态的抗震设计理论为平台 的《建筑抗震修复指南及其说明》（FEMA 273/274）用于抗震加固。 3、日本于1998年吸纳了基于性态的设计思想，对建筑标准法进行了修订。 4、2000年11月，美国将上述内容在准规范FEMA 356内正式发布。 5、其它国家如中国、加拿大、新西兰、澳大利亚、欧盟等也相继开展基于 性态的结构抗震理论研究并取得重要进展。
i =1
承载力谱
∆i
谱位移
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2. 地震需求谱
目的：按规范要求给出的抗震设计需求，找出能与承载力谱向对应 的需求曲线，以便比较。
地震 影响 系数
自震 周期
谱 加 速 度
谱位移
转换依据：振动理论，加速度与位移的关系
谱加速度Sa Ḋ̇(t ) = D mω 2 sin(ωt + φ ) = ω 2 D (t )
逐点转换公式
S di
=
Ti 2 4π 2
Sai g
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谱位移Sd ω = 2πf = 2π
T
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逐点转换过程示意：
针对设计谱上任意一点（坐标Sai,Ti），套用公式
S di
=
Ti 2 4π 2
Sai g
，转换为Sdi,Sai
ADRS谱生成。
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式中，Cb, Cm, Cf分别为房屋成本、维护和拆除的预期费用、失效费用，Pf为 寿命期的失效概率。
决策：使Ctot达到最小→ Ctot,min。整个过程实际上是一个决策论证过程。 通过决策，使所设计的建筑物实现基于 “投资-效益”准则的目标。
关键点：完成设计后便已知了成本，如果性态不清便无法预测维护、维修 加固成本，因此，必须对结构设计的性态目标进行检验及评估 -PBD。
基于性态的设计方法Performance-based Design Method 4、PBD的背景、思路及发展现状
1989路玛地震-1994Leabharlann Baidu北岭地震后，美国学者提出PBD概念，引起广 泛关注并吸引了众多学者进行了深入研究。许多 研究课题得到政府及科 学基金组织的资助。
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设计地震水准 （SEAOC VISION2000 ，1995）
地震三水准 （中国建筑抗震设计规范2001）
设计地震水准 重现期 超越概率
设计地震水准
重现期
超越概率
频遇地震
43年 30年内50%
偶发地震 罕遇地震
72年 50年内50% 475年 50年内10%
非常罕遇地震 970年1,2 100年内10%1,2
果 大加速度和最大位移
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1.为抗高震等评结估构分析及设计理论
提供依据 2.只有放在同 一座标系下 才能比较
振型分解反 应谱法：第 j振型所对 应的地震作
用力
(i, j = 1,2,⋯, n)
第1振型所对应 的全部地震作用 （底部剪力）
第1振型所对应的 控制点位移最大值
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n
北京工业大学建工学院 土木工程系
高向宇
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原因：有些医院因设施损坏无法实施抢救，有些消防车因车库震坏 开不出来，无法发挥救灾作用。设施破坏较重。
需求：仅以减少人员伤亡作为建筑设防目标不够，应全面顾及经济 损失，以及因建筑或设施的功能中断给社会活动带来的损失。
2、改进传统方法的可能性
过度挖掘结构延性，面有三难：保证中震建筑功能可靠性、缩小地
一般居住 和使用的 建筑所设
于可基本正常使用状态，损坏属
在可修复的范围
日常维修范围，结构分析可以视
为弹性、采用弹性反应谱进行 中国规范2010版抗震设防目标:
的具有最
性态设计目标
低性态（水SEAOC VISION2000 ，1995）
准的目标
两大类：基本目标和性能化目标。 1、基本目标：
小震不坏；中震可修；大震不倒。
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优化决策理论 实施例：北京 最优经济设防 烈度决策
两条曲线的综合 效果：投入损失 之和曲线最低点 所对应的烈度是 北京的最优经济 设防烈度→8度
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5.2 结构性态水准、设计地震水准及性态设计目标 1 性态水准：
这些术语 难于与业 主和使用 者沟通。
性态水准即结构或非结构构件在地震下出现的 损伤状态。可通过变 形角、裂缝宽度、刚度退化或腐蚀劣化等专业术语表述。
美国SEAOC（加州结构工程师学会）VISION2000 委员会定义了四 个性态水准。即：
完全运营状态（即设施连续运转，损伤可忽略）FO 保障功能状态（即设施连续运转，带一定损伤，基本不影响运行） O 生命安全状态（即生命安全能够保证，存在中等程度或较大程度的损 坏，设施功能受到影响）LS
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5.3 结构承载力谱及地震需求谱
1. 结构承载力谱
miaj
F ji = γ j X jiα j Gi = α jγ j X ji Gi
n
∑ F1 = γ1Sa (T1) (mi X1,i ) i =1
D1,con = γ 1Sd (T1 ) X 1,con
推
覆
分
析 结
以T1、ζ1振动的单自 由度体系地震绝对最
PBM方法真正发挥巨大作用尚需时日。 在设计目标及设计准则的量化、简单而高效的软件编制、工业产品及 设施配套技术的完善、技术法规的研制等关键技术环节上还需要一个漫长 的过程，配套的工程教育也需要一定时间。
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5、PBD的主要步骤
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决策问题
操作内容广泛。例如，基于性态的抗震设计（ PBSD）：包括地震灾害 风险评估、设计地震动水准、抗震性态水准、建筑场地、抗震概念设计、 地震作用计算、结构抗震设计、设计校核与 性态评估等。 对象涵盖广泛，包括基础、非结构构件、设施及管理。
效果预测：
使用PBD有望推动技术革新，逐渐扫除国内外先进技术和产品进入各 自建筑市场的障碍，有利于实现国际经济一体化，减少国际冲突。同时， 还将在结构的安全、损坏、性能等方面增进业主与结构工程师的交流与沟 通，分清法律责任，减少不必要的误解和法律纠纷，有利于构建公平、有 序及法制的社会环境。
存在问题：