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基于性能抗震设计理论的提出与基本内容

时间:2022-11-03 百科知识 版权反馈
【摘要】:现行各国抗震设计规范一般采用力的设计方法,包括静力法和反应谱法。我国抗震设计规范直接给出与设防烈度相应的小震的地震动参数,约为基本地震加速度值的1/3,即地震作用折减系数为3。否则,将地震内力与相应的重力荷载内力进行组合,得到构件截面内力设计值,据此进行构件截面承载力设计。基于性能设计的基本思想就是使所设计的工程结构在使用期间满足各种预定的性能目标要求,而具体性能要求可根据建筑物和结构的重要性确定。

现行各国抗震设计规范一般采用力的设计方法,包括静力法和反应谱法。基于力的设计方法一般采用下述设计步骤:

(1)结构方案设计,包括结构布置、确定构件截面尺寸和选用材料等,由此确定结构的刚度。

(2)根据建筑物的质量和刚度,计算结构的弹性自振周期,并由弹性加速度反应谱确定结构的最大加速度和相应的水平地震作用。

(3)选取结构的延性水平,从而确定地震作用折减系数,并对第(2)步所得的弹性地震作用进行折减,得到设计用地震作用。选取的延性水平越高,地震作用折减系数越大,设计用地震作用越小,结构在相应地震作用下的损伤越严重。因此,应根据结构类型和重要性等选择合适的延性水平。

以上是国外规范所采用的方法,如美国UBC规范。我国抗震设计规范直接给出与设防烈度相应的小震的地震动参数,约为基本地震加速度值的1/3,即地震作用折减系数为3。

(4)用弹性理论计算结构地震作用下的内力和位移,并进行层间弹性位移验算。若结构在地震作用下的层间弹性位移不满足要求,则返回第(1)步重新计算。否则,将地震内力与相应的重力荷载内力进行组合,得到构件截面内力设计值,据此进行构件截面承载力设计。

(5)对结构潜在的塑性区域进行详细的构造设计,或采用能力设计方法对结构的地震破坏模式进行控制。

(6)对于重要结构,应按与基本烈度相应的罕遇烈度的地震动参数计算水平地震作用及相应的层间弹塑性位移,并对层间弹塑性位移进行验算。若不满足要求,则返回第(4)步,修改构件截面承载力,直至满足为止。

由上述设计过程来看,基于力的设计方法存在下列问题:

(1)基于力的设计是根据初始设定的结构刚度计算自震周期和地震作用,并将地震作用在各抗侧力构件之间分配。实际上,随着非弹性变形的出现,结构刚度是变化的,所以地震作用并非定值。

(2)按初始刚度在各构件之间分配地震作用,是假定各构件在地震中同时达到屈服,但这个假定对许多结构并不适用。

(3)对同一结构中的所有构件和材料,采用相同的地震力折减系数或延性系数,这在许多情况下并不符合规定。

尽管基于力的设计方法存在着一些问题,但多年来的抗震设计实践证明,采用基于力的设计方法,并结合能力设计原理和有效的抗震构造措施,可以达到原来所定的抗震设计目标。然而,20世纪90年代发生在一些发达国家现代大城市的地震,人员伤亡虽然很少,一些设备和装修投资很高的建筑物虽然没有倒塌,但因结构损伤过大,所造成的经济损伤却十分巨大。例如,1994年1月美国西海岸洛杉矶地区的地震,震级仅为6.7级,死亡57人,而由于建筑物损坏造成1.5万人无家可归,经济损失达到170亿美元。1995年1月日本阪神地震,7.2级,死亡6430人,经济损失高达960亿美元。因此,在现代化充分发展的今天,研究人员意识到单纯强调结构在地震下不严重破坏和不倒塌,已不是一种完善的抗震设计思想,不能适应现代工程结构的抗震要求。在这样的背景下,随着建筑物抗震设计要求的提高及抗震设计理论的发展,美国和日本学者提出了基于性能的抗震设计(Performance-based seismic design, PBSD)思想,其基本思想是使所设计的工程结构在使用期间能满足各种预定性能目标的要求。预定性能目标要求(性能指标)可根据建筑物的使用功能、结构的重要性以及业主自身的要求来确定[165]。衡量建筑结构在地震作用下破坏情况及性能水平的性能指标主要包括力(基底剪力、层剪力、应力等)、变形(应变、截面曲率等)、位移(构件端部的转动,层间位移、顶点位移等)、速度、加速度、能量和损伤等。如何根据不同的结构类型选择不同性能指标,根据不同的抗震设防要求选择不同的性能水平,以满足业主对不同结构性能目标的要求,是基于性能抗震设计中首要解决的基本问题。美国应用技术委员会ATC-33(1992)率先将基于位移的设计思想引入了结构基于性能的抗震评估及加固方法,并于1997年出版了《房屋抗震加固指南》(FEMA273/274);ATC-40(1996)和加州结构工程师协会1995年公布的SEAOC2000都引入了基于位移的抗震设计方法;美国国际规范委员会(ICC)1997年出版的《国际建筑规范2000(草案)》[IBC2000(Draft)]强调了与结构性能/位移设计有关的内容。我国也于2004年颁布了中国工程建设标准化协会标准《建筑工程性态设计通则》(CECS160:2004),新修订的国际标准《建筑抗震设计规范》(GB50011-2010)也增加了建筑抗震性能设计条文。

基于性能设计的基本思想就是使所设计的工程结构在使用期间满足各种预定的性能目标要求,而具体性能要求可根据建筑物和结构的重要性确定。对于结构工程师来说,可明确描述结构性能状态的物理量主要有:力、位移(刚度)、速度、加速度、能量和损伤。基于性能设计要求给出结构在不同强度的地震作用下,这些结构性能指标的反应值(需求值)以及结构自身的能力值,尤其是当结构进入非弹性阶段时。

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