关于建筑结构地震作用计算方法的讨论-叶列平-图文(精)

前国际上已经开展了大量的研究 图 1 即为典型的 R T 关系谱曲线 文 16 给出了最早的 R T 关系 即 等位移准则和等能 量准则 至今对 结构抗震 结构非 线 性地震响应计算以及结构抗震概念都有重要的影响 由基于性能的抗震设 计方法和 理论 发展可 知 中 震计 算 方 法 在 抗 震设 计 理 论体 系 上 与 基 于 性能 的 抗 震设计方 法具 有连续 性 而 且使 结 构 抗 震 设 计理 论 趋 于完 备 具有 可发 展性 抗 震性 态 设 计 通 则 在这 方 面 图1 文 15 建议的 R T 关系谱曲线 15 因抗震规范 没有 给出 这些 复杂 结构 的影 响系 数 C 的 规定 使得设计 人员在 确定地 震作 用时更 多地 考虑结 构整体抗震性能 或尽量减少结构的不规 则性 同时也 会促使研究人员在确定各种复杂结构的抗 震设计研究 中深入探讨各种复杂结构影响系数 C 的合理取值 由于不同结构 体系 结构形 式以及 各种 复杂 的结 构行为 无论是按小震还是按中震计算地 震作用 都需 要考虑各种修正 中震计算方法所做的修 正主要集中 在结构影响系数 C 上 表 1 2 而 小震 计算 方法 所做 的修正工作主要通过抗震 承载力 调整系数 等级 无论是确 定系 数 C 还 是确 定 系数 RE R E 和抗震 和 抗震 等级 都带有 经 验性 按 中 震计 算中 确定 系 数 C 的 经验性主要集中在结构体系和结构形式这 些影响到整 体结构抗震行为的因素上 而按小震计算 中 确定系数 RE 和抗震等级的经验性主要集中在局部结构构件上 为我国抗震规范今后的发展奠定了重 要的基础 而按 小震计算方法 只能实 现小 震水准 的结 构抗震 承载力 验算和适用性 变形验 算要 求 当需 要进 行大震 非弹性 变形验算时 则需另外建立不同的理论 体系和方法 使 我国的抗震研 究工 作与国 际研究 不在 同一条 跑道上 无法及时地消 化和吸 收国 际先进 的研究 成果 同时也 不利于我国抗震研究人员与国际同行开展学术交流 4 2 结构抗震设计的概念 在按中震计 算地震 力的 表达式 中 结 构特性 影响 系数 C 与整体结构的延性 系数有关 因此可 以促使设 计人员从结构 整体上 考虑 结构的 抗震性 能 包 括结构 体系 结 构形 式 结构 规则 性 预期 屈 服破 坏机 制等 大震不倒是整 体结构 抗震 设防目 标的最 重要 标志 只 有在满足这一 抗震目 标前 提下 才 能进 一步分 析是否 满足小震和中震作用下结构的抗震目 标 按中震计算 地震作用 必须 要求设 计人 员对整 个结 构在大 震下整 体性能状态有充分的理解和掌握 根据结构抗 震设防 目标 对于任 何结 构体系 和结 构形式 在小震下均要求处于弹性状态 因此按小震计 算地震作用与 结构体 系 结 构形式 和预 期屈服 破坏机 制等整体结构 抗震性 能无 关 因而 不能 使设计 人员在 结构抗震设计中更多地关注整体结构在大震下整体结 构的性能状态 按小震计算地震作用在 概念上与按中 震计算地震作 用有根 本差 别 难以 解决 不同抗 震性能 结构体系实现 中震 和大震 设防目 标的 各种复 杂问题 如近年来出现 越来越 多的 各种不 规则 不连续 的复杂 结构形式 按小 震地震 作用 计算通 常可 以满足 抗震承 载力的要求 因 而容易 使设 计人员 误认 为满足 抗震规 范的要求 事实 上 这 些复杂 结构形 式的 地震响 应十 分复杂 由于目 前抗震 规范 对各种 复杂 结构形 式的构 造措施规定并 不充分 因此 可能会 出现 在满足 抗震规 范按小震地震 力计算 抗震 承载力 要求的 情况 下 也会 出现大震下 严重 破坏的 问题 如 果按中 震计 算 则会 最初 因结构体系 和结 构形 式比 较简 单 从 78 抗 震规 范的中震计算方 法过 渡到 89 抗震 规范 的小 震计 算方 法时 确定系数 RE 和抗 震等级 尚有 78 抗 震规 范作为 参照依据 随着 新型结 构体 系的不 断发 展 现在 确定 这些参数基本完 全凭 经验 而 且这 两方面 几乎 无法通 过结构抗震性能 的研究 如整 体结 构抗震 分析 和振动 台试验 进行定量确定 相比而言 由于结 构影响系数 C 主要取决 于整体 结构的延 性 这在 理论上可 以通过 结构抗震性能分 析获 得 也可 以直 接通过 整体 结构抗 震试验的方法予以确定 依据相对较为充分 此外 中震计算 方法 还有利 于建筑 结构 的抗 震安 全评定 4 3 结构抗震设计方法的研究 在发展基于性 能的 抗震设 计方 法的框 架下 中震 计算方法较 好地 通过 结构 影响 系数 C 综 合 考虑 了整 体结构在中震和 大震 下的结 构性 态 因此 只需 要对各 种结构体系和结构形式 特别是新型结构体 系 的结构 影响系数 C 开展深入的研究 这些工 作有助于 对结构 整体抗震性 能认识 的深 化和理 解 同时 由 于整 体结 构的延性取决于 结构 各部分 的延 性 因此 在对 整体结 构抗震性能进行研究确 定其 C 时 有 助于掌握 整体结 构延性与结构各 部分 延性之 间的 关系 进 而有 助于完 善对结构局部抗震性能和抗震构造的设 计 这种在以 实现整体结构延性性能 整体结构抗震性能 为目标的 前提下 完善结 构局部 抗震性 能和 抗震构 造设 计的发 展思路 可使整 体结构 的抗震 性能 取得局 部与 整体的 统一 是提高和保证整个结构抗震性能的重要概念 5 基于性能抗震设计框架下的地震作用计算 目前各国抗 震规 范 除日 本外 无论是 小震 还是 中震计算 均属于基于承载力抗震设计方 法 即对于一 6 般结构只计算 一次地 震力 而结构 的非 弹性变 形地震 响应 包括耗能 是 通过构 造措施 方法 近似予 以考虑 要彻底解决这 两种方 法各 自存在 的问题 只有 发展基 于性能抗震设计方法 按目前抗震规范 小震不坏 中 震可修 大 震不倒 的最低 抗震设防 目标 在 基于性能 抗震设计方法框架下 应 按 小震 中震 大震 地震动 强度分别进行设计计算 即 1 小震按弹性 计算 地震作 用 并 进行 有可靠 度的 承载力极限状态设计和结构弹性变形验算 2 中震按可修的延性目标取合理的 结构影响系数 C 后计算 地震力 并 按结构 实际承载 力充分 利用情况 确定各部位塑性变形程度 检验是否满足可修的目标 3 大震按不倒的延性目标取合理的 结构影响系数 C 后计算 地震力 并 按结构 实际承载 力充分 利用情况 确定各部位塑性变形程度 检验满足不倒的目标 对于比现有抗震规范更高性能水准的抗震设防目 标 也按上述类 似方法 确定 不同地 震强 度下的 地震作 用 并检验不 同地震 强度 下的设 防目 标是否 满足 由 于更高要求性能水准的抗震设防目标会包含更多的结 构性能指标 因此地震作用计算除地震 力和变形外 还 可能包括加速度 速度和损伤 目前 日本的 二阶段 抗震 设计方 法的 地震作 用是 分两次计算 较好地解决了这两种方法的矛盾 6 结语 由于目前的两种地震作用计算方法都属于基于承 载力抗震设计 的框架 也都 需要考 虑结 构的非 弹性变 形特征来进行 调整 因 此两 种地震 作用 计算方 法都存 在着各自的 问题 彻 底地解 决这 些问题 的途 径 就是 发展基于性能 位移抗震设计方法 也 就是说 地震作用 的计算不仅要考虑地震力 还要考虑结构 变形响应 包 括耗能 包括小震 下的弹 性变形 中 震下的 非弹性变 形和大震下极 限塑性 变形 甚至加 速度 和速度 等参数 指标 目前按中震确定设计地震作用时所考虑的非弹性 变形是结构 整体 宏观变 形 而落 实到结 构构 件设计 还需要将这种结构整体宏观变形转换到各结构构件的 局部变形 结构的整体宏观变形与结构 构件的局部变 形关系十分复杂 这是基于 性能 位移 抗震设 计方法重 点研究的课 题 对于 一种特 定的 结构体 系 其结 构整 体宏观变形与结构构件局部变形之间有着某种固定的 关系 但目前 的研究 尚不 够充分 如 果对 各种结 构体 系的宏观变形 与局部 变形 之间的 关系已 经清 楚 同时 建立了 R T 反应谱 则不 同地 震水 准的 地震作 用均 可获得 只是小震时仅需考虑弹性地震作 用 相当于 R 1 而中震和 大震 还需 由 R T 反 应谱 获得结 构的 宏观变形 再利用宏观变形与局部变形之 间的关系 实 现结构构件抗震设计 这是结构抗震设计 理论和设计 方法的发展方向 参 考 文 献 第六届全国地震工程 1 叶列平 经杰 论结构抗震设计方法 C 会议论文集 南京 东南大学出版社 2002 2 刘恢先 论地震力 J 土木工程学报 1958 5 2 3 刘恢先 工业与民用建筑地 震荷载的 计算 J 建筑 学报 1961 8 4 龚思礼 工 业与 民用 建 筑抗 震 设计 规 范 J 工 程抗 震 1986 2 5 王亚勇 郭子雄 吕西林 建筑抗震设计中地震作用取值 要国家抗震规范比较 J 建筑科学 1999 15 5 6 王广军 抗震规范中结构影响系数 C 的应用及变迁 J 四川建 筑科学研究 1990 4 7 何广乾 魏琏 戴国莹 论地震作用下多层剪切型结构的弹塑性 变形计算 J 土木工程学报 1982 15 3 8 戴国莹 工业与民用建筑抗震设计规范 修订简介 二 J 工 程抗震 1985 2 9 仲圯 建筑抗震设计新 规范 GBJ11 程技术与标准化 1991 4 10 魏琏 戴国莹 建筑抗震设计 规范 地 震作用和 结构抗震 验算 要点介绍 J 建筑科学 1989 4 11 高小旺 魏琏 韦承基 基于概率的结构抗震设计方法 J 建筑 结构学报 1988 6 12 刘大海 杨翠如 曾凡生 等 建筑抗震设计新概念 对 建筑 工程抗震性态设计通则 的理解 J 建筑结构 2006 36 1 13 龚思礼 建筑抗 震设计 规范修 改要点 介绍 J 工 程抗震 1990 1 14 叶列平 钱稼茹 关于取消承载力 抗震调整系数的 意见 C 第 九届全国高层建筑抗震学术交流会论文集 2003 15 VIDIC T FAJFAR P FISCHINGER M Consist ent inelast ic design spectra st rength and displacement J Eart hquake Engineering and Struct ural Dynamics 1994 23 16 VELETSOS A S NEWMARK N M Eff ect of inelastic behavior on the response of simple system to earthquake mot ion C Second World Conference on Earthquake Engineering 1960 89 介绍 一 J 电信工 主 北京市建筑设计研究院第四设计所设计的 全国工商联新办公楼 举行奠基典礼 2008 年 11 月 12 日 全国工商联新办公楼奠基典礼