关于建筑结构地震作用计算方法的讨论-叶列平-图文(精).doc

. 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