建筑结构抗震设计理论发展

2 38 四川建筑科学研究 S i c h u a n B u i l d i n g S c i e n c e 第 4 O卷第 4期 2 0 1 4年 8月 建筑结构抗震设计理论发展 张建新 李 辉 李青宁 1 四川建筑职业技术学院 四川 德阳6 1 8 0 0 0 2 西安建筑科技大学土木工程学院 陕西 西安7 1 0 0 5 5 摘要 力和位移作为设计变量 都具有明确的物理意义 而结构抗震设计思想从传统的基于力的设计转变到基于 性能 位移的抗震设计 在国内外受到广泛研究 并被认为是未来抗震设计 的发展方向 因此 在有关文献的基础 上 简要介绍建筑结构抗震设计思想的发展历程 同时重点对常用的基于性能的抗震设计方法作了较系统的探讨 最后提 出一些设计建议 关键词 抗震设计 性能 延性系数 能力谱 直接基于位移 中图分类号 T U 3 5 2 1 文献标志码 B 文章编号 1 0 0 8 1 9 3 3 2 0 1 4 0 4 2 3 8 04 0前言 从 2 0世纪初 日本最初提出简单 的抗震设计思 想 到 目前国际上普遍认可的 小震不坏 中震可 修 大震不倒 的指导思想 再到基于性能 的抗震设 计思想 P e r f o r m a n c e B a s e d S e i s m i c D e s i g n 即 P B S D 的提出 结构抗震设计经过两次质的飞跃迈进 了更 加人性化的发展阶段 这是人们在不断总结历次地 震经验教训 的基础上取得的结果 最为典型的案例 就是 1 9 9 4年美 国 N o r t h r i d g e 6 7级地震 和 1 9 9 5年 日本 K o b e 7 2级大地震 人们逐渐认识到过去仅 以保证人的生命安全为单一 目标的设计理念现在已 经不能满足社会 的需求 这就促使结构抗震性能从 宏观定性的 目标 向具体量化的多重 目标过渡 从而 可以达到业主所预估 的性能 目标 为此 2 0世纪 9 0 年代美 国 日本 中国等国先后开始了基于性能的抗 震设计方法的研究 试验研究表 明 建筑结构 抗震性能与其变形指标有很好的相关性 建筑结构 在大震作用下倒塌的主要原因是由于其变形能力和 耗能能力不足造成的 建筑结构 良好的变形性能是 避免混凝土结构在罕遇地震下倒塌的根本保证 基 于此 结构抗震设计思想从传统 的以力 为主的设计 转变到以变形为主的抗震设计得到重视和发展 因 此 本文首先介绍建筑结构抗震设计思想的发展历 程 同时重点对常用的基于性能 的抗震设计方法作 收稿 日期 2 0 1 3 0 4 0 1 作者简介 张建新 1 9 8 0一 男 山西灵石人 硕士研 究生 主要从 事 工程结构抗震方 面的研究 基金项 目 四川省科技厅研究项 目 2 0 0 9 S Z 0 1 0 7 E ma i l 3 5 9 9 7 8 6 6 8 q q t o m 了较系统的探讨 最后提出一些设计建议 结构抗震设计理论 的发展概括起来大致经历 了 静力法 反应谱法和时程分析法 以及基于位移 性能 的抗震设计方法和能量设计方法 下面 将分别予 以详细叙述 1 静 力法理论 阶段 静力法是 自2 0世纪初期到 4 0年代采用的抗震 设计方法 该方法将结构视为刚体 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进行静力分析 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 又称为烈度法 2 反应谱法理论 阶段 反应谱法考虑了质点的地震反应加速度相对于 地面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 再根据加速度反应谱计算 出 结构地震作用 然后按弹性方法计算出结构的内力 根据内力组合进行截面承载力设计 但是 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 为了考虑结构在大震下进入弹塑性阶 段 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 载力结合构造措施保证延性 的抗震设计方法 3时程分析 阶段 随着计算机技术的发展 以及对结构弹塑性恢复 力模型的研究 时程分析方 法成 为结构在强烈地震 2 0 1 4 N o 4 张建新 等 建筑结构抗震设计理论发展 2 3 9 作用下弹塑性变形的计算方法 该方法直接对结构 输入强震加速度记录 选择恰当的结构恢复力模型 直接对动力方程进行积分求解 得 到大震作用下结 构 的弹塑性反应 时程分析方法被称为是求解结构 弹塑性反应可靠有效 的方法 但该法较复杂 工作 量较大 在地震波选取 恢 复力模型 结构计算模型 等方面存在不足 使其难 以在工程 中推广应用 4基于位移 性能 的抗震设计思想 基于位移 性能 的抗震设 计理论 P e r f o r ma n c e b a s e d S e i s m i c D e s i g n 即 P B S D 是 1 9 9 2年 由美 国学 者 4 首先提出的 可概括为 基于性能的抗震设计 理论 以结构抗震性能分析为基础 针对每一种抗震 设 防水准 将结构的抗震性能划分成不同等级 设计 者可根据结构的用途 业主的特殊要求 采用合理 的 抗震性能目标和合适的结构抗震措施进行设计 使 结构在各种水准地震作用下所造成 的破坏损失 是 业 主所选择并能够承受 的 通过对工程项 目进行生 命周期的费效分析后达到一种安全可靠 和经济合理 的优化平衡 基于位移 性能 的抗震设计被认为是 未来抗震设计 的主要发展方 向 根据设计思路的不 同 基于位移 的抗震设计可以分类为 直接基于位移 的抗震设计方法 能力谱方法 按延性系数设计的方 法等 下面将分别论述 4 1 直 接基 于位移 的设计 方法 D i r e c t D i s p l a c e m e n t b a s e d S e i s mi c D e s i g n 直接基于位移的抗震设计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的多 自由度体系转化为等效单 自由度体系 确定等效单 自由度体系结构的弹塑性地震位移反应 再根据侧 移模式反算出原多 自由度体系各楼层 的弹塑性地震 位移反应 验算其是否符合 限值要求 其具体计 算 步骤 如下 1 设定多 自由度体系结构 目标位移 d及其对 应 的目标延性系数 根据合理的侧移模式 将原结构 体系等效为单 自由度体系 2 根据 等效 阻尼 比与延性 的关 系确定 等效单 自由度体系的等效阻尼 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结构第一振 型的等效周期 4 根据等效周期 和结构等效质量 确定 结构 的等效刚度 依据等效 刚度 确定结构 的 几何尺寸 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 曲线 根据等效刚度 K 和设定 的 目标位移 A d确定结 构 极 限状态下 的结构 内力 F 该 承载力就是与 刚度 和位移 A d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 该抗震设计方法直接用位移指标衡量结构的抗 震性能 可以在设计初期就明确结构的性能水平 并 且使设计 的结构性能正好达到 目标性能水平 计算 方法较为简单 便于设计 尽管比基于力的设计方 法更能体现位移控制的原则 但是设计过程 中侧移 模式的选取 等效单 自由度体系的转化 等效阻尼 比 与延性比的关系 各性能 目标限值的确定以及高振 型影响的忽略等 问题 都直接或间接地影响 了该方 法 的精确性 还需要做更深入的研究 g 2 能力谱方法 C a p a c i t y S p e c t r u m Me t h o d 能力谱方法是在 1 9 7 5年 由美 国的 F r e e m a n等 人 最早提出的 它是将静力弹塑性分析得到的力 和位移的关系曲线转换为等效单自由度体系加速度 一 位移关系的能力谱 并按照对结构的延性需求将规 范设计反应谱折减后 转化 为反映加速度一 位移关 系 的需求谱 然后将地震需求谱曲线和结构能力谱曲 线绘制在 同一 图 中 求得 两个 曲线相 交点 的位 移 称为 目标位移 或采用 图示的方法直观地评估结 构在给定地震作用下的性能 它的关键就是用 P u s h o v e r 方法获得能力谱曲线 能力谱方法的计算步骤 是 1 对结构进行非线性静力分析 得到结构在水 平荷载作用下的屈服机制 塑性铰 出现顺序与塑性 铰分布 并绘出结构的顶点位移一 底 部剪力 曲线 由 于它反映了结构的抗侧能力 所 以又称为结构的能 力曲线 它在某种意义上可以等 同于结构的恢 复力 骨架曲线 2 分别计算结构顶层 的振型参与系数 厂 与第 一 振型的有效质量 将结构的顶点位移与底部 剪力分别除以上述两个数值 得到用谱加速度一 谱位 移表示 的结构的能力谱曲线 这一步的实质是将结 构 由多 自由度体系的地震反应转化成为一个等效的 单 自由度体系的地震反应 3 对等效 的单 自由度体 系 在 给定 的阻 尼下 一般为 5 输入给定的地震记录 得到该体系的 最大响应 以此绘出结构的拟加速度谱 也可以采用 抗震设计规范给出的设计反应谱 再将结构的 自振 周期 变换成位移响应 得到用谱加速度一 谱位移 四川建筑科学研究 第 4 0卷 表示的结构的需求谱曲线 4 将上 面得 到的需求谱 曲线按照结构 的延性 要求进行折减后 与能力谱曲线绘在同一坐标系中 如果两者不相交 说 明结构在给定 的地震作用下抗 震能力不足 如果相交 那么交点所在的位移就是结 构在该地震下达到的最大位移响应 即目标位移 5 最后将 上一步所得到 的单 自由度体 系的 目 标位移再反变换 为实际的多 自由度体 系的顶点位 移 根据结构 的能力 曲线 得 到此时结构 的底 部剪 力 再根据 P u s h o v e r 各步的计算结果 进一步可 以 得到各出铰截面此时的塑性铰转角值 该方法既能够分析结构在大震作用下的弹塑性 反应 又避免 了相对复杂的动力时程分析 结构在地 震作用下的供需关系较为 明确 判断结构的性 能简 单直观 已逐步成为对结构抗震性能评估 的一种重 要方法 研究表明 对于结 构的地震反应主要 由第 一 振型控制 基本周期在 2秒以内的结构 能力谱方 法能够比较真实地反映结构的抗震能力 但能力谱 方法在理论上还不够完善 诸如如何考虑高振型的 影响 如何用于可能发生扭转变形的不规则结构 地 震的往复作用所产生的刚度退化以及包辛格效应怎 样予以考虑等问题还有待进一步研究 近几年对该 方法的研究多集 中在对原有方法 的改进 上 诸如 适应谱方法 4 3按延性 系数设计的方 法 D u c t i l i t y F a c t o r D e s i g n Me t h o d 延性 系数法 又称能力设 计法 新西兰 的 I C A r ms t r o n g于 1 9 7 2年针对延性框架结构首先提出了 这种方法 1 9 7 5年 R P a r k和 T P a u l y 4 对它进行 了完善 该方法就是要考察结构屈服以后的延性反 应过程 研 究钢 筋混凝 土构件 与结构 的延性 问题 其实质是通过建立构件的位移延性系数或截面曲率 延性系数与塑性铰区混凝土极限压应 变的关系 由 约束箍筋来保证核心混凝土能够达到所要求 的极限 压应变 从 而使 结构具 有要 求 的延性 系数 其计 算 大致分为以下四步 1 进行结构小震下承载力计算 求出截面内力 以及配筋 2 根据大震和经强度验算选定的截 面 配筋所 得的结构实际强度 求 出结构 整体需要 的位移延性 系数 确定延性 系数的关键是确 定结 构的底部 剪力和顶点侧移关系曲线 可采用静力弹塑性分析 方 法完 成 3 根据结构位移延性系数 和结构体系的塑 性变形机制 确定构件的延性需求 计算临界截面需 要的曲率延性系数 值得注意的是 不同的变形 机制 结构和构件间的延性关系也不 同 4 通过延性系数与塑性铰 区混凝土极 限压应 变的关系 确定箍筋 进行截面的延性设计 虽然延性 系数法采用了总体延性 系数 和曲率延 性系数 分别量化地考察结构的整体延性与构件延 性 以延性这一与位移直接相关 的参数来控制设计 物理概念很明确 且被包括新西兰 美 国 欧洲 以及 我国在内的多国广大学者所接受 但延性 系数等量 化指标是在假定屈服机制 全部塑性铰 同时出现且 出铰位置固定的前提下对形成 的机构进行静力分析 与几何推导求得的 这显然是实际结构在罕遇地震 下屈服机制高度理想化的情形 总之 基于性能的抗震设计理论 基本克服了基 于承载力的抗震设计不能预估结构屈服后的工作性 能的缺陷 是 2 1 世纪世界各国抗震设计理论发展的 趋势 但是要使其纳入规范设计方法 仍有很多问 题有待进一步研究 比如 结构性能水平的划分见表 1 还没有形成统一的认识 有学者提 出更为细致的 划分情况 也有学者提 出采用不同结构反应参数来 划分性能水平等问题 只有通过深入细致 的研究 才 能促使基于位移 性能 的抗震设计方法理论 的早 日 完善 表 l 结构性能水平划分 5能量设计 方法 E n e r g y Me t h o d 结构在遇到较 大地震作用时 会产生非弹性变 形 导致能量耗散 从能量分析的角度着手 通过控 制结构或构件 的耗能能力 达 到控制整个结构抗震 性能的 目的 是一种很有发展前景的计算方法 它 假设结构破坏 的原因是地震输入 的总能量 地震对 结构物及其内部设施的破坏是 由其输入的能量与结 构物所消耗的能量共同决定的 能量设计法的优点 就在于 能够直接估计结构 的潜在破坏程度 对结构 的滞 回特性以及结构的非线性要求概念清楚 同时 张建新 等 建筑结构抗震设计理论发展 2 41 耗能元件的合理设置可以更好地控制损失 但是 由 于结构体系的复杂性 结构滞 回耗能的计算很大程 度上依赖于构件单元恢复力模 型的选取 计算 比较 繁琐 不确定因素较 多 且具有一定误差 目前仅仅 局限在理论 上进行探讨 6 结 语 随着科学技术的发展 人们认识水平的提高 建 筑结构抗震设计思想也在不断进步 现在正逐步发 展基于位移 性能 的抗震设计方法 它改变 了基于 力 的设计思路 其优点是 使三水准设防要求有具体 量化的性能 目标 水准 设计中更强调实施性能水准 的判别准则 性能 目标的选用和深入仔细的分析 论 证 而基于位移的抗震设计中直接基于位移的方法 目前在工程设计中应用 的较多 但大都在求 出结构 侧向力后 由侧 向力进行设计 能力谱方法简单实用 但很少直接用于设计 延性 系数法 以曲率延性直接 控制构件配筋 作为基于性能 的抗震设计其 物理意 义最明确 综合考虑 以上各种方 法的优缺点 笔者 建议 将延性系数法和能力谱法两者结合起来 用于 工程设计 由能力谱法确定目标位移 再将其转换为 原结构的曲率延性要求 并依此进行结构的抗震设 计 同时加强概念设计进 行结构 的宏 观设 计控制 这种方法利用了能力谱 的步骤和延性系数法的基本 思想 取长补短 显然 比单独用一种方法更为合理 参 考 文 献 1 P r i e s t l e y M J N P e rf o r m a n c e b a s e d s s mi c d e s i g n C P r o c e e d i n g s o f t h e 1 2 t h W o dd Co n f e r e n c e o n E a r t h q u a k e E n g i n e e r i n g Ne w Z e a n d 2 0 0 0 2 A h m e d C h o b a r a h P e rf o rma n c e b a s e d d e s i g n i n e a rt h q u a k e e g i n e e fi n g s t a t e o f d e v e l o p me n t J E n n e e fi n g S t r u c t u r e s 2 0 0 1 2 3 8 8 7 8 8 8 4 3 J 钱稼茹 罗 文斌 建 筑结构 基 于位移 的抗震 设计 J 建筑 结 构 2 0 0 1 3 1 4 3 6 4 P a r k R P a u l a y T 钢筋 昆 凝土结构 M 重庆 重庆建筑大学出 版社 1 9 9 2 5 顾 荣蓉 李琪 基于位移的结构抗震设计方法 的讨论 J 建 筑技术开发 2 0 0 5 3 2 1 1 5 6 6 张巍 孟少平 混凝土结构基于位移的抗震能力设计 J 工 程抗震 2 0 0 2 3 5 1 O 7 李刚 程耿 东 基 于性能 的结构 抗震设 计 理论 方 法与 应用 M