结构抗震的分析与设计方法简介20090407

结构抗震的分析与设计方法简介黄吉锋中国建筑科学研究院1.结构抗震分析方法结构抗震分析的目的抗震分析的两个任务确定地震作用计算结构的地震反应从1900年左右至今的100多年，已发展出多种针对地震作用的分析方法静力理论静力法创始于意大利，发展于日本1900年左右，大森房吉、佐野利器、物部长穗、末广恭二对该理论发展作出重要贡献静力理论静力理论认为结构物所受到的最大基底剪力等于刚性结构物所受到的最大惯性力：静力理论佐野利器根据1906年旧金山地震的现场调查，认为刚性大的结构物可以取震度k=0.1,该观点在1923年关东大地震后，1924年被日本城市建筑法规采纳。k取0.1与结构特性无关不变的k意味着对于结构特性不同的房屋采用了不同的安全性标准。对相对高、柔的结构偏严；对相对矮、刚的结构偏松。静力法是较为粗燥的方法反应谱理论1920年日本学者对结构物在简谐激励下的地震反应进行了研究，但由于对地震动特性缺乏定量的了解，虽有进展，仍未使地震反应分析脱离静力阶段。1933年美国长滩地震，取得了第一个强震加速度记录；1940年美国在ELcentro地震又取得重要强震记录。20世纪40年代，在实际强震记录和结构自振特性资料的基础上，美国学者比奥特(Biot)、贝尼奥夫(Bennioff)、豪斯纳(Housner)等人提出了反应谱的概念。反应谱理论反应谱理论考虑了结构动力特性与地震动特性之间的关系，同时保持了静力理论的形式，它将结构物所受到的最大基底剪力写为：反应谱理论反应谱概念经过发展，形成近代反应谱理论，其要素为：结构物可以简化为多自由度体系；多自由度体系的地震反应可以按振型分解为多个单自由度体系反应的组合；每个单自由度体系的最大反应可以从反应谱求得利用随机过程理论处理各振型间的组合振型分解意味着反应谱理论处理的对象是线弹性结构反应谱理论设计谱反应谱的一般概念是针对特定的地震记录的在抗震设计中，现在普遍采用设计谱的概念。抗规的地震影响系数曲线就是一种加速度设计谱。设计谱是以大量地震动记录的反应谱特性为依据,经统计和平滑化处理确定的，具有一定的包络概率。1959年GWHousner给出了世界上第一条设计谱。

设计谱包含了大量的地震动信息，是抗震设计的较为可靠的工具，比较而言，一次时程分析，只能体现一条特定的地震纪录特性，必须多波(比如7条以上)分析，设计意义才比较明确。反应谱理论TAT,SATWE,PMSAP均具有水平地震反应谱分析的功能PMSAP还新增了竖向地震反应谱分析的功能，并可考虑其内力组合，用于设计。大跨结构、长悬臂结构，可能存在竖向的二次共振，宜用反应谱分析考虑竖向地震效应；规范方法（底部轴力法、直接地震作用系数法）则可能偏小很多（比如可偏小1到2倍），此处设计人员要特别予以重视。随机振动理论认为地震动和结构地震反应都是随机现象，只能求得其统计特征，只能求得结构在概率意义上的最大反应。根据这一概念，较好地处理了反应谱分析方法中的振型组合问题，并使得抗震设计从安全系数法过渡到概率理论的分项系数法。目前在工程中的直接应用尚未普及动力弹性时程分析根据地震加速度记录，直接积分弹性动力方程，得到结构反应的位移、速度和加速度历程由于地震动的随机性，需要足够多的地震波分析结果的平均值，才能保证其统计意义。目前的设计软件可以做单向分析，也可以做主向、次向加竖向的三向分析。PKPM的TAT,SATWE,PMSAP均配有三分量地震波库。PMSAP中可以考虑竖向分量，并可把弹性时程的最不利时刻的结果或用户指定时刻的结果考虑进内力组合，用于设计。静力弹塑性Pushover方法，

能力谱方法能力谱方法最早由Freeman于1975年提出，后经发展被美国ATC40等推荐使用是一种将静力弹塑性分析与弹性反应谱理论相结合、用于计算非线性结构在地震作用下的动力反应最大值的方法使用方便，计算效率高假定结构的地震反应以第一振型为主，对于高振型效应明显的超高层结构存在误差。误差到底会有多大，值得进一步研究、论证。静力弹塑性Pushover方法，

能力谱方法能力谱方法的基本步骤：通过给定的侧向荷载形式，以拟静力的方式逐步施加到结构上，得到一系列的结构反应，形成一个反应序列，这些反应，称为结构的能力(Capacity)。在反应序列的每一点p上，构造等效单自由度体系，确定等效周期和等效阻尼，从而根据弹性反应谱，求得结构在p点、在地震作用下的最大反应，这个最大反应称作结构在p点的需求(Demand)。若在某点p处，结构的能力与需求相等，则该点就是结构在地震作用下的解，称为性能点。该点的位移称为目标位移。静力弹塑性Pushover方法，

能力谱方法Pushover方法的关键问题侧向荷载的分布形式高阶振型效应的考虑Pushover方法的另外一些形式适应谱pushover法（AdaptiveSpectra-basedPushoverProcedure）：每一加载步的荷载增量都基于结构当前的动力特性振型pshover法(ModalPushoverAnalysisProcedure,Chopra,2002)：利用各个振型的惯性力，依次做pushover，得到地震反应，最后组合之静力弹塑性Pushover方法，

能力谱方法PKPM的PUSH软件，是一个专业的Pushover分析软件，采用了能力谱方法确定结构的性能点。PUSH采用纤维素模型的梁柱单元和基于正交各向异性(DARWIN-PECKNOLD)砼本构关系的微观模型墙元，采用弧长法追踪结构反应，配备VSS,PCG,波前法三种快速求解器，可以考虑楼板的承载力贡献，可考虑箍筋的约束性能，可进行自动网格细分。已经在数百个复杂工程中应用，直接接力SATWE和PMSAP。动力弹塑性时程分析根据地震加速度记录，直接积分弹塑性动力方程，得到结构反应的位移、速度和加速度历程由于地震动的随机性，需要足够多的地震波分析结果的平均值，才能保证其统计意义。钢筋砼构件的一维、特别是高维滞徊本构关系，值得进一步深入研究。隐式和显式求解方法，计算效率问题动力弹塑性时程分析PKPM的EPDA软件，是一个专业的动力弹塑性分析软件。EPDA采用纤维素模型的梁柱单元和基于正交各向异性(DARWIN-PECKNOLD)砼本构关系的微观模型墙元，配备PCG快速求解器，可以考虑楼板的承载力贡献，配有三向地震波库。已经在数百个复杂工程中应用，直接接力SATWE和PMSAP。地震反应分析方法小结基于CQC组合的弹性反应谱方法是目前抗震设计的主要工具。弹性时程分析是超限结构抗震设计的必要补充弹塑性静力pushover分析方法和弹塑性动力时程分析方法，是大震下结构变形验算的主要手段。2.结构抗震设计方法早期抗震设计方法地震力的确定依据静力理论，一般取建筑物重量的10%进行设计（日本,佐野利器,1915）假定地震力与结构特性和地基情况无关假定房屋抗震能力仅与结构承载力有关（未考虑结构的延性、耗能等概念）采用安全系数，进行容许应力水准上的弹性设计反应谱理论及结构能力设计(CapacityDesign)我国及多数国家的抗震规范都采用了反应谱理论及结构的能力设计原则，其主要特点为：用规范规定的设计反应谱进行结构线弹性分析北美和欧洲国家的设计谱，是通过50年超越概率10%的弹性反应谱除以一个”延性降低系数R”或”性能系数q”得出。中国78抗规的设计谱，是通过50年超越概率10%的弹性反应谱乘以一个小于1的结构影响系数C得出，与欧美本质相同。中国的89及01抗规，设计谱直接采用50年超越概率63%的弹性反应谱（多遇地震，小震）反应谱理论及结构能力设计(CapacityDesign)结构构件的承载力设计，考虑由弹性反应谱地震作用与恒、活、风等荷载引起的内力的组合。考虑合理的结构屈服机制及非弹性变形的需要，按照相应的不同的延性要求（抗震等级），采取不同的抗震措施，包括强柱弱梁、强剪弱弯等内力调整及抗震构造要求，这些措施是能力设计原理的重要内容，也是设计反应谱可以比弹性谱降低的主要依据之一。概念设计（ConceptualDesign）要求：方案设计阶段，结构体系、结构体型的规则性、结构的整体性满足规范的规定，以使结构能可靠地发挥非弹性延性变形能力。反应谱理论及结构能力设计(CapacityDesign)二道防线设计

实质可以理解为延性控制构件延性指标：轴压比剪压比剪跨比跨高比反应谱理论及结构能力设计

—抗震设计极限状态(三水准)使用极限状态结构无损坏，不需修理；或者轻微损伤，只需稍加修理。构件基本处于弹性工作状态。与使用极限状态对应的地震作用，多数建筑可选择50年超越概率63%的小震(小震不坏水准)；对甲类建筑及紧急状态下需要保持其功能的建筑，可选择50年超越概率10%的中震。反应谱理论及结构能力设计

—抗震设计极限状态(三水准)损伤控制极限状态建筑物发生较多破坏，但结构和非结构构件尚能经济地修复；越过此界限，不能再修复或经济地修复。与损伤控制极限状态对应的地震作用，多数建筑可选择50年超越概率10%的中震(中震可修水准)；反应谱理论及结构能力设计

—抗震设计极限状态(三水准)幸存极限状态建筑物发生大量破坏，不能修复或不能经济地修复；但结构不倒塌。与幸存控制极限状态对应的地震作用，多数建筑可选择50年超越概率2-3%的大震(大震不倒水准)；反应谱理论及结构能力设计

—结构反应的延性水准(抗震等级)弹性反应结构（比如延性比<1.5）延性反应结构有限延性的结构（比如延性比=3.5）充分发挥延性的结构（比如延性比=8.0）根据结构耗散地震能量的基本原理，承载力和延性这两个指标充分刻画了结构的抗震性能。承载力较高的结构，对其延性变形能力的要求可有所降低；若结构承载力较低，则需要较高的延性变形能力。反应谱理论及结构能力设计

—结构反应的延性水准(抗震等级)AA1BB1CC1结构抗力S结构位移Du=1.0理想弹性反应u=1.5基本处于弹性反应状态u=3.5有限的延性反应u=8.0充分的延性反应O反应谱理论及结构能力设计

—结构反应的延性水准(抗震等级)我国规范、规程按照不同的设防烈度、房屋高度和结构体系规定了不同的抗震等级，其实质就是从宏观上控制不同结构的延性要求。不同的抗震等级对应着不同的内力调整系数和抗震构造措施抗震等级为特1级,1,2,3级的结构，属于有限延性的结构抗震等级为4级的结构属于基本弹性的结构反应谱理论及结构能力设计

—概念设计准则(结构体系的抗震性能)框架结构美国、新西兰等国家认为，经过专门设计、施工的延性抗力矩框架具有较好的抗震性能震害表明，柔性底层框架、竖向刚度或承载力突变的框架、平面形状不规则的框架、构造措施达不到延性要求的框架、施工质量达不到要求的框架，破坏严重。我国抗规未强调设计特殊的延性抗力矩框架，对框架适用高度作了偏严的规定。反应谱理论及结构能力设计

—概念设计准则(结构体系的抗震性能)框剪结构抗震性能良好，明显优于框架平面布置需合理，避免严重的扭转效应反应谱理论及结构能力设计

—概念设计准则(结构体系的抗震性能)剪力墙结构；框架核心筒、筒中筒结构抗震性能良好抗倒塌能力良好适宜建造高层建筑反应谱理论及结构能力设计

—概念设计准则(结构体系的抗震性能)板柱体系和板柱剪力墙结构体系板柱体系抗震不利，我国规范规程未将其列入抗震结构体系中板柱剪力墙体系抗震性能明显优于板柱体系，可作为抗震体系，但对适用高度有较严的限制。反应谱理论及结构能力设计

—概念设计准则(结构体系的抗震性能)复杂高层建筑：属不规则或者特别不规则结构，需要精细方案设计并采取专门措施。9度设计不采用带转换层、加强层、错层和连体的结构。7度8度设计不宜采用超过两种的复杂结构。错层结构的适用高度宜严格限制B级高度建筑不宜采用连体结构，以防塌落。B级高度底部带转换层的筒中筒结构，当外筒采用由剪力墙构成的壁式框架时，最大适用高度应适当降低反应谱理论及结构能力设计

—概念设计准则(不规则性控制)平面布置规则性、楼板开洞扭转控制，周期比，位移比立面布置规则性控制，避免过大的外挑内收楼层刚度比控制楼层承载力比控制竖向抗侧力构件的连续性控制基于性能的抗震设计

(Performance-basedDesign)ATC40(1996),FEMA237(1997)提出在既有建筑的评定和加固中使用多重性能目标的建议美国加州结构工程师协会SEAOC(StructuralEngineersAssociationofCalifornia)1995年提出了新建房屋基于性能的抗震设计2003年美国ICC(InternationalCodeCouncil)发布了《建筑物及设施的性能规范》日本、欧洲相继将抗震性能设计的思想列入设计和加固标准中基于性能的抗震设计

(Performance-basedDesign)方法特点抗震设计从宏观定性目标向具体量化的多重目标过渡业主可选择所需的结构性能目标抗震设计强调根据性能目标进行深入分析和论证，利于结构创新。可以采用现行规范中未规定的新结构体系、新材料和新