（工程力学专业论文）基于位移模式结构抗震设计方法研究.pdf

摘要 摘要 本文研究的主要内容是在基于性能的抗震设计基本思路下，以常见的多层 钢筋混凝土框架结构为研究对象，针对目前基于位移设计方法中存在的若干问 题，研究多层框架结构基于位移的抗震设计方法，以期建立合理的基于位移 设计方法和实现步骤，本文的主要研究工作和成果如下： 一、指出了目前基于力分布模式的静力弹塑性分析方法中存在的问题，提 出了基于位移模式的静力弹塑性分析的方法，克服基于水平力模式分析方法存 在的理论不足，较好地反映结构在地震作用下的弹塑性位移特征，其稳定性好 于力分布模式，也便于确定结构层间位移，进而推出构件的弹塑性变形。通过 大量的弹塑性分析，提出了多层框架结构位移模式保持一致的条件和位移模式 的确定方法。 二、研究了基于位移模式的等效单自由度方法，将多自由度体系等效为单 自由度体系，并通过基于位移模式的静力弹塑性分析得到等效单自由度体系恢 复力模型骨架线，建立了等效力一位移骨架线特征参数的计算公式。 三、对等价线性化方法进行了研究，将弹塑性体系等价为弹性体系，建立 了等效单自由度体系的等价阻尼比和延性系数的关系。并利用原规范给出的地 震影响系数曲线推出等效单自由度弹性体系反应谱，确定地震弹塑性位移需求 公式。 四、建立基于位移模式的多层框架结构抗震设计方法的基本方法和步骤通 过工程算例，验证了本文建议方法的合理性，且与时程分析结果进行了对比，表 明本文方法是可行且是合理的。 关键词：抗震设计方法，位移模式，弹塑性分析，等效单自由度 a b 巾t a b s t r a c t b a s e do nt h ei d e ao fp e r f o n n a l l c e b a s e ds e i s 戚cd e s i g n ，t h i sd i s s e n a t i o n p r o p o s e sm ee x t a i l tp r o b l e m so fd i s p l a c e m e n t b a s e ds e i s m i cd e s i g nm e t l l o d ( d b s d ) a n dp r e s e n t sar e s e a r c ho nd b s dm e t h o d o l o g yf o rr c 舭吼e s t h em o r er e a s o n a b l e a p p m a c ha 1 1 ds p e c i f i cp r o c e d u r e so fd b s d a r ee x p e c t e dt ob ee s t a b l i s h e d t h em a i n a c l l i e v c m e m so f t l l i sd i s s e n a t i o na r d e s c r i b e da sf 0 l l o w s ： ( 1 ) t h ep r o b l e m so f1 0 a d - p a n c m - b a s e dn o l l l i n e a rs t a t i ca n a l y s i s ( p u s h o v e r ) b e i n gp o i n t e do u t ，t h i sd i s s e r t a t i o np r o p o s e sd i s p l a c e m e m p a t t e m - b a s e dn o i l l i n e a r s t a t i c a n a l y s i s m e t h o d t 1 1 i s p a p e r i n d i c a t e sm a td i s p l a c e m e n t - p a t 蛔m - b a s e d n o n l i n e a rs t a t i c a 1 1 a l y s i s m e t l l o dc a n c o n q u e rt h et h e o r yi n a d e q u a c y o f l o a d - p a t t e m _ b a s e dm ：m o da i l di sm o r ec 印a b l et or e n e c ti n e l a s t i cb e h g 、，i o r t h e s t a b i l i t yo fd i s p l a c e m e n t - p a t t e mi sb e t t e r 也a nl o a d - p a 牡e ma n d 也i sm e 也o di se a s i e r t oo b t a i ns n l l c t l l r ci n t e r s t o r yd i s p l a c e m e ma de l e m e n t 协e l a s t i cd e f o r m a t i o n b ya 霉a tn 啪b e ro fc a l c l l l _ a t i o na 1 1 dc o m p a r i s o n ，t h ed i s p l a c e m e n t p a t t e mo ff r a m e s t r u c t u r e si sa n a l y z e d ，a n dt h ec o n s i s t e n tc o n d i t i o na n dd e f i l l i t i o nm e t l l o da r e p r o v i d e d ( 2 ) b ys t i l d ) r i n gd i s p l a c e m e n t p a t t e m _ b a s e dm e m o d ， 也em u l t i d e g r e e o f - 矗e e d o ms y s t e mi se q u i v a l e n tt oas m 宙e d e g r c e o f 丘e e d o ms y s t e m t h e r e s i l i c eo ft 1 1 e s i l l 酉e - d e g r e e o f _ 行e e d o ms y s t e m i so b t a i n e d b y d i s p l a c e m e m p a t t e m - b a s e dn o i l l i l l e a rs t a t i ca n a l y s i sm e t l l o da n dt h ec a l c u l a t i o n f o r l l l u l a sf o rc h a r a 曲e r i s t i cp a 姗e t e r so fe q l l i v a l e n tf o r c e - d i s p i a c e m e n ts k e l e t o n l i n ea r ee s t a b l i s h e d ( 3 ) t h ee q u i v a l e n tl i n e a r i z a t i o nm e t h o di s 咖d i e da i l dt h ei n c l a s t i cs y s t e mi s r c p l a c e d b ye l a s t i cs y s t e m n er e l a t i o n so fe q u i v a l e md 锄p i n gr a t i oa n dd u c m 姆 c o e 伍c i e n tf o re q u i v a l 廿ns n g l e - d e g r e e o f _ f b e d o ms y s t e mi ss u g g e s t e d b a s e do n t h ee q t l i v a l e n te l a s t i cs y s t e ma n dd i s p l a c e m e ms p e c m l mw “hm f f b r e n td 锄p i n g c o e f f i c i e n t ，t h ed e m a n do fi n e l a s t i cd i s p l a c e m e n tl h l d e re a r 出q u a k ei sd e t e 兀n i n e d ( 4 ) t h eb a s i cs t e p sf o rd i s p l a c e m c n t 。p 甜e m - b a s e ds e i s m i cd e s i g nm e t h o da r e p r o v i d e d ap r a c t i c a le x a m p l eo ff r a m es t r u c t u r ei su s e dt ov a l i d a t et h i s m e t h o d o l o g y ，a n di sc o m p a r e dw i t ht h er e s u l to ft i m eh i s t o r ya n a l y s i s t h e r e s u l ti n d i c a t e st h es u g g e s t e dm e t h o di se a s yt ob eu s e da n dr e l i a b l e k e yw o r d s ：s e i s m i cd e s i g nm e m o d ，d i s p l a c e m e n tp a t t 啪，e l a s t o p l a s t i ca n a l y s i s ， e q u j v a l e n ts i n g l ed e 伊e ef d o m 月吾 j l - - 一 刖吾 地震灾害是地球上发生最多、对人类危害最大的自然灾害之一，人类一直在不 懈地认识和预防地震灾害，寻求抵抗、减轻地震灾害的抗震设计思想和方法。结构 抗震设计方法大致经历了静力设计理论、反应谱设计理论、时程分析方法等几个阶 段。我国现行的建筑抗震设计规范g b 5 0 0 1 l 一2 0 0 1 中，采用基于承载力辅以构 造措施保证延性的“小震不坏、中震可修，大震不倒”的抗震设计原则和设计方法。 其他各国现行抗震规范的抗震设计原则也基本思路一致。这种以保障生命安全为基 本目标的抗震设计理论基本保证了人的生命安全，却不能在地震中有效地控制地震 破坏所造成的直接和间接经济损失。例如，美国1 9 9 4 年n o n l l r i d g e 地震造成的损失 约2 0 0 亿美元，日本1 9 9 5 年兵库县南部神户( k o b e ) 地震造成的损失大约1 0 0 0 亿美元， 我国台湾省1 9 9 9 年的集集地震造成的损失约2 4 0 多亿新台币。尽管人员伤亡不是特 别惨重，但带来的经济损失和社会灾难巨大，超过了设计者的预料，超过了社会和 业主所能承受的范围。大量的震害分析表明：由于结构在强震作用下产生屈服进入 弹塑性变形阶段，结构的刚度、自振周期和阻尼比都会发生变化，结构的破坏并不 取决于瞬时的地震作用力，变形能力和耗能能力不足才是结构在强震作用下倒塌的 主要原因 1 8 1 ”，这使得从事结构抗震设计的研究人员对已有的抗震设计方法进行了 反思，随着经济的发展和人口密度的增加，震害会越来越严重，社会和公众对结构 的抗震性能存在多种不同的要求，如何完善现行的抗震设计理念，使结构在未来地 震中的抗震性能达到人们事先预定的目标，正是在这种背景下，基于结构性能位移 抗震设计理论应运而生。 基于性能的抗震设计( p e r f o r m a n c e _ b a s e dd e s i g n ) ，是把结构的性能目标作为 结构抗震设计的目标，针对结构在不同水准地震作用下所要求的性能目标进行设计。 但事实上，结构的性能水准可以定性但很难定量，这是基于性能设计应用中的一个 主要问题。定量研究结构的性能水准需要确定一个合适的性能指标。结构的承载力、 刚度、累积滞回耗能、变形、损伤等都可以作为性能指标。由于结构的性能与地震 作用下的损伤程度有关，结构的破损又与截面的变形和极限应变密切相关，而截面 的变形( 应变或曲率) 又可以转化为位移条件( 构件端部的转动、结构的层间位移和顶 点位移) ，因此可以通过位移来控制结构的损伤程度。从结构抗震的角度来说，采用 基于位移的抗震设计( d i s p l a c e m e n t b a s e ds e i s m i cd e s i g n ) 是实现结构性能控制的有 刖昌 效途径。因此目前基于性能抗震设计方法的研究可归结为基于结构位移( 变形) 抗 震设计方法，根据设计思路的不同，基于位移的抗震设计方法大致可分为：直接位 移设计法；能力谱方法和控制延性的方法。 基于性能和基于位移抗震设计，其关键就是地震作用f 结构在非弹性阶段的具 体性能的分析。国内外地震工程界一般认为可以借助于非线性动力时程分析，但是， 由于时程分析方法分析技术复杂、计算工作量大、结果处理繁杂，且许多问题在理 论上还有待于进一步的研究( 如有代表性的地震波的输入、构件恢复力模型等) 。因此， 静力弹塑性分析方法，又称推覆分析方法( p u s h o v e ra n a l y s i s ) 作为一种结构非弹性反 应的简化计算方法，该方法弥补了传统静力线性分析方法如底部剪力法和振型分解 反应谱法等的不足，又克服了动力时程分析方法的困难。静力弹塑性方法是在结构 上旌加竖向荷载并保持不变，同时施加某种分布的水平荷载，并使水平荷载单调增 加，构件逐步屈服，从而得到结构在横向静力作用下的弹塑性性能。目前，基于性 能位移的抗震方法中还存在着许多问题，主要有；( 1 ) 直接基于位移方法中弹塑性 位移谱的研究，不同阻尼比一延性系数一结构类型之间的关系等；( 2 ) 能力谱方法 中将结构等效为单由度体系时，在弹塑性阶段这种等效是否成立，等效过程中如何 考虑高振型的影响；( 3 ) 静力弹塑性分析方法中如何选取合适的水平力分布模式和 位移分布模式等。 本论文研究的内容是在基于性能位移的抗震设计基本思路下，以常见的钢筋混 凝土多层框架结构为研究对象，针对目前基于位移设计方法中存在问题进行研究， 以期建立更为合理的基于位移设计的理论和方法。本文主要的创新点有：基于位移 模式进行推覆分析的方法，通过大量的弹塑性分析，提出了位移模式保持一致的条 件和位移模式的确定方法；研究了基于位移模式的等效单自由度方法。将多自由度 弹塑性体系等效为单自由度，提出了基于位移模式的静力弹塑性方法；研究了等效 力一位移骨架线的恢复力模型特征参数的确定方法；利用等价线弹性单自由度方法 将弹塑性体系等价为线性体系，建立了等效单自由度体系的等价阻尼比与延性系数 的关系：提出基于位移模式的抗震设计方法的基本步骤，并通过工程实例验证了本 文建议方法的合理性。 从目前各国抗震设计规范修订动向来看，可以说基于结构性能设计是2 1 世纪世 界抗震设计规范的趋势，本文所做的研究工作旨在共同探索基于结构性能的抗震设 计理论，对推动该理论在我国的实际应用做出贡献。 学位论文独创性声明： 本人所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取 得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论 文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果。与我一同工作的同事 对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 如不实，本人负全部责任。 论文作者。签孙主堡 2 瞄年4 月，日 ( 注：手写亲笔签名) 学位论文使用授权说明 河海大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、中国学术期刊 ( 光盘版) 电子杂志社有权保留本人所送交学位论文的复印件或电子文 档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内 容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被 查阅和借阅。论文全部或部分内容的公布( 包括刊登) 授权河海大学研究 生院办理。 论文作者。签孙盔堡2 嘶年4 月。日 ( 注：手写亲笔签名) 第一章引言 第一章引言 l 。1 选题背景 地震是对人类危害最大的自然灾害之一，它对人类社会的危害主要表现在 两个方面：一是地震引起建筑物的破坏或倒塌将导致严重的人身伤亡和财产损 失，二是地震及其引起的水灾、火灾等次生灾害将破坏人类社会赖依生存的自然 环境，造成严重的经济损失，产生巨大的社会影响。长期以来，人类一直在寻求 抵抗和减轻地震灾害的抗震设计思想和方法。我国现行的建筑抗震设计规范 g b 5 0 0 1 l 一2 0 0 1 中，采用基于承载力辅以构造措施保证延性的所谓“小震不坏、 大震不倒”的抗震设计原则和设计方法。其他各国现行抗震规范的抗震设计原则 也基本思路一致。 近年来，由于经济的高度发展，结构内部设备及其功能的重要性和价值已 远远超过结构本身，在强烈地震下，即使结构不倒塌，其造成的经济和社会损失 是无法弥补的。从1 9 9 4 年美国加州北岭地震、1 9 9 5 年日本阪神地震、1 9 9 7 年土 耳其地震、1 9 9 9 年台湾的几次震害表明，地震灾害造成的经济财产损失和社会 影响巨大，也使人们意识到传统的以保障人身安全为基本目标的抗震设计理念并 不完善，不能适应现代社会对结构抗震性能的要求，单一的以承载力指标进行抗 震设计已经不能适应现代社会对结构抗震性能的要求，传统的抗震设计理念和方 法受到了各种新的挑战【】- 3 1 。 我国现行抗震规范采用的“小震不坏、中震可修、大震不倒”三水准设防 目标和两阶段抗震设计方法，即用承载力作为指标来控制结构在地震作用下的性 能。其基本思路是：用弹性方法计算结构在小震作用下的内力和位移，用计算所 得的组合内力进行承载力极限状态验算构件截面，使构件具有一定的承载力；同 时，用概念设计和构造措施使结构具有一定的延性。这种抗震设计方法在8 0 年 代已经基本达到了国际抗震设计的先进水平，曾对我国的工程抗震设计也起到了 重要的指导作用。但是结构设计抗震理论在不断发展，这种基于承载力+ 构造保 证延性的传统抗震设计方法，结构的抗震变形能力与地震变形需求之间的关系模 糊，缺乏定量分析和有效的量化指标。设计人员并未真正掌握结构在大震中的实 际弹塑性变形性能，对于结构的抗震性能，在地震时可能产生什么程度的破坏并 没有明确的概念，业主无法预知结构震害中可能的损失，更无法按照其意图制定 河海大学博土学位论文 并实现结构的抗震性能目标。 大量的震害分析表明：并不是结构的强度越大就越能承受较大的地震力， 由于结构在强震作用下产生屈服进入弹塑性变形阶段，结构的刚度、自振周期和 阻尼比都会发生变化，结构的破坏并不取决于瞬时的地震作用力，变形能力和耗 能能力不足才是结构在强震作用下倒塌的主要原因，单一的承载力指标不能衡量 结构的弹塑性性能以及结构的破损过程。随着经济的发展和人口密度的增加，震 害会越来越严重，社会和公众对结构的抗震性能存在多种不同的要求，如何完善 现行的抗震设计理念，使结构在未来地震中的抗震性能达到人们事先预定的目 标，正是在这种背景下，基于结构性能位移抗震设计理论应运而生。 2 0 世纪9 0 年代美国学者b e r t e r o 等人【4 】提出了基于性能位移的抗震设计方 法( p e 面h n a n c e d i s p l a c e m e m b a s 酣d e s i 皿，简称p b d ) ，其基本思路是使所设 计的工程结构在使用期间满足各种预定的性能目标要求。而性能目标要求可根据 不同的结构物类型有所不同。 基于性能的抗震设计思想就是基于“投资一效益”准则，强调结构“个性” 的设计1 5 】。所谓“投资一效益”准则，就是在设计中除了考虑技术因素外，还考 虑了经济、社会、政治等诸多因素，它所追求的设计目标就是在结构的设计基准 期内，综合考虑这些因素基础上的优化方案。强调结构“个性”的设计是指结构 设计中，根据结构的用途和业主、使用者的特殊要求，每个结构可以有各自不同 的功能水平，这与现行抗震规范体系中同类结构采用同样的功能水平、强调结构 设计的“共性”是有本质不同的【昏。 该抗震设计理念提出后，受到了世界各国学者的广泛关注，并越来越受到重 视，成为当前抗震设计方法研究的热点，将成为2 l 世纪世界抗震领域研究的主 要方向。美国、日本等国都投入力量进行研究，将现行抗震规范过渡到基于性能 的设计规范。目前国际上致力于这方面研究的组织有：美国加州结构工程师协会 的s e a o cv e r s i o n2 0 0 0 f 7 】，应用技术委员会的a t c 一4 0 ( 1 9 9 7 ) ；美国联邦紧急救 援署( f e m a ) 建筑抗震安全委员会( b s s c ) 的美国国家地震减灾项目n e h r p 叫； 日本的p r e s s 钢筋混凝土建筑结构设计指南【1 2 】；新西兰、欧共体在抗震设计方法 中强调了结构延性的重要性【1 3 】。美国的a t c 4 0 ( 1 9 9 6 年) 、f e m a 2 3 7 ( 1 9 9 7 年) 将基于性能的抗震设计思想应用于已有建筑评定、抗震加固中，并提供了设计方 第一章引言 法；美国加州结构工程师协会s e a o c s i o n2 0 0 0 ( 1 9 9 5 年) 报告中建议了新建 房屋基于性能的抗震设计，提出了著名的“性能控制水准图”，指出了设计性能 目标与性能水准的关系。 我国也在积极开展了相应的研究工作，但我国基于性能的抗震设计理论研究 在9 0 年代才起步，1 9 9 6 年在中美抗震规范学术讨论会上曾就此理论进行过交流， 引起我国学者的关心和研究，文献 1 4 1 6 】就框架和剪力墙结构的变形容许值进行 了研究，还把基于结构性能设计理论引入到结构优化设计领域【1 ”，提出基于性能 的抗震优化设计概念，建议中国2 1 世纪的抗震设计应顺应国际发展的趋势，发 展适合我国国情的基于结构性能的抗震设计理论。1 9 9 9 年1 0 月，在清华大学举 行了“i n t e r n 矗t i o n a ls e m i n a ro nn e ws e i s m i cd e s i 凹m e m o d 0 1 0 西e sf o rt 啦l b u i l d i n g s ”研讨会，对基于性能的结构抗震设计方法进行了广泛的交流和讨论。 我国学者通过不断的深入研究，近年来也取得了一定的科研成梨1 8 圳】。 1 2 抗震设计方法的发展 结构抗震设计理论的发展阶段经历了静力法、反应谱法和时程分析法等。从 近年来几次震害教训及国际发展趋势来看，基于性能位移的抗震设计方法正在 逐渐形成，成为今后抗震设计的一个主要研究方向 2 2 。2 3 1 。 1 2 1 静力法理论阶段 静力法是自2 0 世纪初采用的抗震设计方法。该法将结构视为刚体，并假设 各质点振动加速度均等于场地土运动加速度，由此计算的地震作用按静力施加于 结构。该方法没有考虑结构的动力响应，仅考虑质点加速度与地面运动加速度( 即 烈度) 相关，又称之为烈度法。地震作用的大小与建筑物总重量的比值，称为地 震系数。1 9 2 4 年日本建筑法规首次规定地震系数为o 1 f 2 4 】；1 9 2 7 年美国统一建 筑规范( u b c ) 规定侧向力系数为o 0 7 5 0 1 。 到2 0 世纪4 0 年代后，随着计算机应用的发展，以及取得了较多的强震记 录，取消了静力法中刚体平移的假设，考虑了地震作用与结构动力特性的关系， 由此结构抗震分析进入反应谱理论阶段。 第一章引言 法；美国加州结构- 程师协会s e a o cv j 自o n2 0 0 0 ( 1 9 9 5 年) 报告中建议了新建 房屋基于性能的抗震设计，提m 了著名的“惟能控制水准囝”，指出厂设计性能 目标与性能水准的关系。 我国也在积极开展了相应的研究工作，但我国基于性能的抗震设计理论研究 在9 0 年代才起步，1 9 9 6 年在中美抗震规范学术讨论会上曾就此理论进行过交流， 引起我国学者的关心和研究，文献1 4 1 6 i 就框架和剪力墙结构的变形容许值进行 了研究，还把基于结构性能设计理论日f 入到结构优化设计领域i l “，提出基于性能 的抗震优化设计概念，建议中国2 l 世纪的抗震设计应顺应国际发展的趋势，发 展适合我国国情的基于结构性能的抗震设计理论。1 9 9 9 年l o 月，在清华大学举 行了“n e n l a t i o n a ls e m i n a ro nn e ws e i s m i cd e s 伽m c 血0 d o l o 垂e sf 0 r 删l b u j j d i n 鼬”研讨会，对基于性能的结构抗震设计方法进行了广泛的交流和讨论。 我国学者通过不断的深入研究，近年来也取得了一定的科研成果1 ”。 1 2 抗震设计方法的发展 结构抗震设计理论的发展阶段经历了静力法、反应谱法和时程分析法等。从 近年来几次震害教训及国际发展趋势来看，基于性能位移的抗震设计方法正在 逐渐彤成，成为今后抗震设计的一个主要研究方向【丑。】。 1 2 1 静力法理论阶段 静力法是自2 0 世纪初采用的抗震设计方法。该法将结构视为刚体，并假设 各质点振动加速度均等十场地土运动加速度，由此计算的地震作用按静力施加于 结构。该方法没有考虑结构的动力响应，仅考虑质点加速度与地面运动加速度( 即 烈度) 柏关，又称之为烈度法：地震作用的太小与建筑物总重量的比值，称为地 震系数。1 9 2 4 年同本建筑法规首次规定地震系数为0 1 口4 】；1 9 2 7 年美国统一建 筑规范( u b c ) 规定侧向力系数为o 0 7 5 o 1 。 到2 0 世纪4 0 年代后，随着计算机应用的发展，以及取得了较多的强震记 录，取消了静力法中刚体平移的假设，考虑了地震作用与结构动力特性的关系， 由此结构抗震分析进入反应谱理论阶段。 由此结构抗震分析进入反应谱理论阶段。 河海大学博士学位论文 1 2 2 反应谱法理论阶段 反应谱法较静力法更真实地反映了结构振动特性，考虑了质点的地震反应加 速度相对于地面的运动加速度具有放大作用，采用动力方法计算质点体系地震反 应，建立了与自振周期有关的速度、加速度和位移反应谱”；再用加速度反应谱 计算结构的最大惯性力作为结构的等效地震荷载，然后按静力方法进行结构计算 及设计。求出的结构构件内力代表在地震作用下的不利内力，并根据它们进行截 面设计，满足抗震设防要求。 反应谱方法与传统的结构设计方法接近，且抗震分析结果均可满足工程设计 所要求的精确度，使用简便，因而该方法应用广泛。但反应谱是基于弹性动力反 应分析获得的，无法确定结构的弹塑性反应，尤其是弹塑性位移反应的大小。 为考虑结构在大震下进入弹塑性阶段，在按反应谱法确定结构承载力来保证 “小震不坏”的基础上，又采用构造措施来保证“大震不倒”，这就是目前各国 抗震规范中主要采用的基于反应谱理论的承载力+ 构造保证延性的抗震设计方 法。 随着计算机技术的发展和对结构弹塑性恢复力模型的研究，使得将地震波输 入地震动力反应方程并直接逐步积分求解成为可能，促使结构抗震分析发展到弹 塑性时程动力分析阶段。 1 2 3 时程分析理论阶段 随着计算机技术的发展，地震反应时程分析理论和方法成为结构在强烈地震 作用下弹塑性变形的计算方法。该方法将结构看作弹塑性振动体系，直接输入强 震加速度记录，依据结构的弹塑性性能选择恰当的恢复力模型，用数值方法求解 结构的动力方程，得到大震作用下结构的弹塑性反应，诸如层间位移、塑性铰位 置、塑性转角的大小等，能够直接检验结构在大震作用下的安全。由于时程分析 可得到各质点随时间变化的位移、速度和加速度动力反应，进而可计算出构件内 力和变形的时程变化关系【2 5 】。与振型分解反应谱法相比，时程分析法更真实地描 绘了结构的地震反应【2 7 _ 2 8 1 ： ( 1 ) 反应谱法采用的设计反应谱只反映了地震动强度与平均频谱特性，未 反映地面运动中速度、位移及持续时间等参数的影响；而时程分析法则可全面反 4 第一章引言 映地震动强度、谱特征与持续时间三要素对结构地震反应和损伤的影响： ( 2 ) 反应谱法是基于弹性假设，在多遇地震( 小震) 下用等效静力地震荷载 计算弹性状态下的内力和位移，该方法较为合理，但对结构进入弹塑性状态后的 分析便产生问题；而时程分析法直接考虑构件与结构的弹塑性特性，可准确地找 出结构的薄弱位罱，以便控制结构在罕遇地震作用下弹塑性反应，防止建筑物的 倒塌； ( 3 ) 反应谱法只能分析地震过程中的最大惯性力，并非结构的最危险状态； 而用时程分析方法可给出随时间变化的反应时程曲线，由此可以找出各构件出现 塑性铰的顺序、结构破坏和倒塌的机理。 时程分析计算采用的模型常用的有层模型、杆模型等。层模型只能求结构地 震响应，不能获得杆件变形。 时程分析计算的准确程度一是取决“层”或“杆”滞回模型的准确程度，二 是选取合适的地震记录。由于地震的不确定性、结构的复杂性以及要求使用者有 较高的专业知识水平等原因，会出现计算结果相差很大的情况。 美国n e h r _ p 【2 9 l 以及欧洲共同体e c 8 刚对时程分析计算的应用持谨慎态度， 它们主要认为“该方法的准确程度取决于选取模型的准确程度，可靠结果还得依 据多条地面运动加速度曲线”。我国抗震规范( g b 5 0 0 1 1 2 0 0 1 ) 将时程分析作为 一种补充计算，规定对“特别不规则的建筑、甲类建筑和在一定场地上超过一定 高度的高层建筑，应采用时程分析法进行多遇地震下的补充计算”【3 1 3 2 】。 时程分析方法过于烦琐的计算过程是难以广泛应用于工程设计的主要原因。 1 2 4 基于性能位移设计方法阶段 近1 0 年以来，许多现代化大城市发生的地震灾害，因侧向变形过大，虽然 结构物没有倒塌，人员的伤亡也不大，却造成了设备和装修的巨大损失。究其原 因，是结构构件所具有的塑性变形能力和耗能能力太差，在结构变形超过了一定 限度后，就引起结构的损坏甚至倒塌。 因此，传统的用力作为单独的指标，不能反映结构的变形、弹塑性性能及破 损状态。传统的基于承载力的抗震设计方法已经不能满足社会的需要。近年来， 国际上对于在规范中采用基于性能要求抗震设计方法的呼声很高1 3 ”。9 0 年代 初，b e r t e r o vv 首先明确提出了基于性能的抗震设计概念f 3 4 1 ，这种方法主要是 河海大学博士学位论文 将结构的性能目标转化为破损指标和位移需求，其基本思想就是根据不同的对象 结构提出不同的位移要求，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。这将成为今后抗震设计方法研究的一个主要方向，并将其作为新一代 的抗震设计方法。 基于性能的设计首先用于结构的加固评估，国内外已经做了大量的研究分析 p ”。为了体现p b d 概念的设计与修复方法，在结构的抗震恢复的条文规定中， 美国加州工程师协会s e a o c 【7 】、美国国家地震减灾项目n e h r p 都做了详细 规定。日本政府也将建筑标准法规修改成符合p b d 的形式【1 【1 2 口”。基于位移抗 震设计的简化方法，采用静力弹塑性分析手段，又称非线性静力分析方法 ( n o n l i n e a rs t a t i cp r o c e d u r e ，n s p ) ，既考虑了计算的简便性，又兼顾了构件 的弹塑性性能，成为目前研究计算方法的热点，已正式写入美国a t c 一4 0 【3 9 l 、 f e m a 2 7 3 【4 0 】和f e m a 2 7 4 【4 1 1 等报告中。关于基于性能的设计用于结构的加固评估国 内外已经傲了大量的研究分析m 删。事实上，结构的性能水准可以定性但很难定 量，这是基于性能设计应用中的一个主要问题。定量研究结构的性能水准需要确 定一个合适的性能指标。结构的承载力、刚度、累积滞回耗能、变形、损伤h 5 郴1 都可以作为性能指标，性能指标的选择要根据结构不同的设防水准确定。 1 3 基于性能位移抗震设计方法的研究现状 自从九十年代提出基于性能位移抗震设计( p b d ) 这一理念以来，国际上就 对这一方法的研究给予可很大的重视。1 9 9 2 年，美国应用技术委员会a t c 3 3 首 先将基于性能的抗震设计概念用于建筑物的加固，1 9 9 6 年颁布的a t c 一4 0 引入 了基于位移的抗震设计方法；1 9 9 5 年美国加州工程师协会s e a o c v i s i o n2 0 0 0 报 告较详细地阐述了基于性能的概念及实旖的框架，包括从设计准则的选择和性能 水平的定义到具体的设计方法和步骤。美国国家地震减灾项目n e h r p ( n a t i o n a l e a n h q u a k eh a z a r dr e d u c t i o np r o 醇i i l l ) 提出了建筑物基于位移的抗震评估及修复 加固的方法，并于1 9 9 7 年出版了房屋抗震加固指南，f e m a 一2 7 3 报告中也提 出了一系列的性能目标以及实现这些目标的设计和分析方法。1 9 9 8 年美国地震 工程中心( e a n 1 q u a k ee n g i n e e d n gr e s e a r c hi n s t i t u t e ，e e r ) 给联邦紧急救援署 ( f e d e r a le m e r g e n c ym a n a g c i n e n ta g e n c y ，f e m a ) 提出了一份关于建筑工程抗震 性能设计的执行计划，内容几乎包括了房屋抗震和强震地面运动的所有方面。 6 第一章引言 2 0 0 3 年美国国际规范委员会i c c 发布了建筑物及设施的性能规范，强调了结 构性能要求的有关内容。 日本也在多方资助下于1 9 9 5 年开始了为期三年的“新建筑结构体系开发” 研究项目，成立了有国内著名学者参加的新建筑构造体系综合委员会，下设性能 评价、目标水准和社会机构三个分委员会，为推进和协调这一项目进程，还建立 了“新构造体系促进会”，讨论、规划、协调各方面的工作。日本政府1 9 9 6 年宣 布建筑标准法规将按照符合国际标准的p b d 形式进行了修改，并且在2 0 0 0 年给 出了基于性能的准则。2 0 0 0 年1 1 月1 5 日，日本、新西兰、加拿大、澳大利亚 及欧共体等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。 但是由于基于性能设计这一理论的复杂性和开放性，迄今为止，基于性能 的抗震设计仍然处于框架阶段，许多技术问题如性能水准、非结构构件设计以及 性能目标的量化需要进一步研究解决。其中，结构性能目标的量化可由多个物理 量来描述，如力、位移、能量或损伤目标等。传统的用力作为单独的指标，不能 反映结构的变形、弹塑性性能及破损状态，就结构地震损伤而言，建筑结构在地 震中破坏和倒塌的主要原因，归结于结构构件所具有的塑性变形和耗能能力较 差。而采用能量可较全面的反应结构综合抗震性能，但在实际工程设计中，用能 量作为结构设计的指标太抽象，不便实际运用。 由于建筑结构在设计地面运动下的变形值一般可以很好地体现建筑结构的 性能状态，因此建筑结构的性能水准与结构变形的关系比其与受力的关系更加密 切。比如，钢筋的受拉断裂主要是受其极限拉应变控制，约束混凝土的受压破坏 主要受其压应变控制，墙板的开裂可以根据其横向位移角的大小来控制，钢筋混 凝土构件屈服后的抗剪强度与构件的变形也有很大关系。因此目前基于性能抗震 设计方法的研究可归结为基于结构位移( 变形) 抗震设计方法 ( d i s p l a c e m e n t b a s e ds e i s m i cd e s i g l l ，d b s d ) ，根据设计思路的不同，基于位移 的抗震设计方法大致可分为：直接位移设计法；能力谱方法和控制延性的方法。 河海大学博士学位论文 1 3 1 直接位移设计法( 等价线性化方法) 1 9 9 5 年，美国圣地亚哥加州大学k o w a l s k y 【4 7 l 等首次较完整地提出了桥梁柱 ( 单自由度体系) 基于位移的设计方法，直接将位移目标、破损程度作为设计目 标，结构的刚度和承载力均由事先设定的目标位移来确定。 1 9 9 8 年m j n p r i e s e y 基于同样思路1 4 8 】，提出了一种用于多自由度的“直 接位移设计法”，并更加明确了基于位移设计法的思路。 r 瞳嚣 国捌璐黼自匪疫繇 鬻粥瞳k o q ( a ) s i n 9 1 e 珂e g r e e o f - 舶e d o ms y s t e mt oi m i t a t es t r u c t u r e ( b ) es t i f h l e s sk e q ( c ) 设计阉筋i 应潜固等螂卧拟生诞曲懈 ( c ) d e s i 酗d i s p l a c e m e mr e s p o n s es p e c t r a( d ) r e l a t i o n so f e f r e c t i v ed a r i i p i n ga n dd u c t i l 时 图1 1 基于位移的抗震设计基本思路 f i 晷卜1t h eb a s i c i d e a o f d j s p i a c e m e n t - b a s e ds e i s m i c d e s i g n ( 1 ) 设定多自由度体系结构目标位移如和与这一位移对应的结构目标延性 系数；将原结构体系转化为等效单自由度体系，如图1 一l ( a ) 。在图1 1 中4 。， ， 磊q ，q 分别为等效单自由度体系的等效位移、等效总剪力、等效质量和等 效刚度。 ( 2 ) 根据图1 1 ( d ) 所示的等效阻尼比与延性的关系确定等效单自由度体 藿 砰蹴晰蜥 一垤l 第一章引言 系的等效阻尼比 “ ( 3 ) 根据等效阻尼比和事先设定的目标位移，由线弹性单自由度体系的位 移反应谱定出所需的结构第一振型等效周期瓦。，如图1 1 ( c ) 所示； ( 4 ) 根据等效周期疋q 和结构总等效质量 ，确定结构所需的等效刚度 挺。，依据等效刚度疋。确定结构的几何尺寸【4 9 1 ，得到结构刚度的合理分布； ( 5 ) 由结构等效单自由度的力一位移骨架线，如图1 1 ( b ) 所示，根据等效刚 度琏。和设定的目标位移4 确定结构极限状态下的结构内力凡，该承载力就是与 刚度疋。和位移4 。对应的结构地震总水平力或基底剪力，然后就可以按现在通用 的方法进行结构抗震设计及配筋计算；同时为了使结构具有达到预定目标位移的 能力，还要将结构的目标位移转化为各构件的变形要求，并进行构造配筋。 上述方法也称之为等效单自由度的等价线性化方法 5 “。 该方法是先假定结构的整体侧移模式，并按照结构动力学方法将实际结构的 多自由度体系等效为单自由度体系，由等效单自由度体系确定弹塑性地震位移响 应，再根据侧移模式反算出原结构多自由度体系的各楼层的弹塑性地震位移反 应，并验算是否符合限值要求【5 l 】。 1 3 2 能力谱方法 能力谱方法( c a p a c i t ys p e c t 耻n m e t h o d ) 是由静力弹塑性分析得到结构的能 力谱曲线代表结构的能力、用加速度一位移反应谱代表地震地面运动对结构的需 求，将结构能力谱曲线和地震反应谱曲线在加速度一位移坐标系中一同绘出，直 观地评价结构在给定地震作用下的性能 5 2 5 6 】。1 9 8 2 年作为评价结构性能和地震 作用之间关系的一个方法被美国应用技术研究院a c t l o 采用。后在美国的国家 标准技术研究院n i s t ( 1 9 9 4 ) 和应用技术委员会a c t4 0 ( 1 9 9 6 ) 【3 川中作为结构 抗震性能的评估方法。该法最初于由f r e e m a j l 于1 9 7 5 年提出并于1 9 9 8 年改进 【5 矗58 1 ，f a j f h 于1 9 9 9 年又做了改进 5 9 】。c h o p r a 【6 0 1 也于1 9 9 9 年提出了改进的能力 谱方法，这种方法采用非弹性反应谱作为需求谱求解目标位移，并以单自由度体 系为例对该方法进行了检验，很多学者( 6 “6 6 1 也对改方法进行了改进并应用于对结 构抗震性能的评估。 能力谱方法的思路是： ( 1 ) 求出结构的能力谱曲线。首先设定结构的位移模式和水平力分布模式 9 河海大学博士学位论文 由静力弹塑性分析得到基底剪力一顶点位移关系曲线，经等效转换为等效单自由 度体系的力一位移关系。再转化为加速度一位移关系曲线，由此获得等效单自由度 体系的能力谱曲线； ( 2 ) 建立需求谱曲线。对于给定的阻尼比 ，确定设计地震动作用下的单 自由度弹性体系的最大加速度反应谱和最大位移反应谱。 以单自由度线弹性体系的加速度谱值为纵坐标，位移谱值为横坐标，可得到 不同周期l 单自由度体系的加速度谱值一位移谱值关系，此即需求谱曲线。对 于不同的阻尼系数，可得到一组不同的需求谱曲线。 ( 3 ) 将能力谱曲线和需求谱曲线在同一加速度一位移坐标系绘出则等价线 弹性体系力一位移关系与能力谱曲线的交点为设计性能点，能力谱曲线与相应阻 尼比或延性系数的需求谱曲线的交点即为地震最大反应点；若设计性能点的位移 谱值和加速度谱值均大于最大地震反应点，则认为结构性能满足要求。如图1 2 所示。 趔 密 划 制 最 位移谱值 图卜2 能力谱法 f i g 1 2c 印a c i t ys p e c t n 吼m e t l l o d 1 3 3 控制延性的方法 在结构设计中，延性泛指结构材料、构件截面和结构体系在弹性范围以外承 受能力没有显著增加的条件下维持变形的能力。延性通常包括结构延性、构件延 性和截面延性三个层次。控制延性的设计方法