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[提要] 就基于性能的建筑结构抗震设计的几个关键环节进行了讨论,给出了结构整体设计的总框图及设计中各关键环节的子框图,较为清晰地展现了基于性能的建筑结构抗震设计的基本过程。
[关键词] 基于结构性能 ；抗震设计 ；框图
[Abstract ] on performance based seismic design of building structures of several key links are discussed, given the overall design of the overall structure diagram and the key link in the design of the sub frame, the more clearly demonstrated the performance based seismic design of building structures the basic process.
[Key words] performance based seismic design; frame;
中图分类号： TU973+.31 文献标识码：A 文章编号：2095-2104（2012）
前言
现行建筑结构抗震设计准则是"小震不坏"、"中震可修"、"大震不倒",即以满足截面承载力要求保证"小震不坏",由结构非线性反应计算进行变形条件的验算从而实现"大震不倒",以特定配筋增强截面及构件延性达到"中震可修"。现行抗震规范的这种设计思想在建筑结构的设计实践中遇到了很大的困难,首先是"大震"作用下建筑结构的变形验算基本上没有进行,原因是缺乏有说服力的结构非线性地震反应分析方法;其次是"小震"作用下建筑结构线性地震反应分析方法要么过于粗糙、简单,要么过于复杂、耗时,有的甚至无法进行精确分析;而现行的高层建筑结构的抗震构造措施过于强调提高截面构件的延性,缺乏提高整体结构抗震性能的有效构造措施。
基于现有建筑结构抗震设计规范的缺陷及存在的问题,为了更好地满足社会和公众对结构抗震性能的多种需求,美国联邦紧急救援署(FEMA)和国家自然科学基金会(NSF)资助开展了一项为期6年的行动计划,对未来的抗震设计进行了多方面的基础性研究,提出了基于性能的抗震设计理论,包括设计理论的框架、性能水准的定性与定量描述、结构非线性分析方法。日本、新西兰、欧共体、加拿大、澳大利亚相继开展了基于性能的结构抗震设计理论的研究。2000年11月15日,这些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。可以肯定地说,基于性能的结构抗震设计理论已成为这些国家地震工程研究的热门课题。
基于性能的结构抗震设计理论的框架
与传统的结构抗震设计相比,基于性能的结构抗震设计在内容和形式上有了实质性变化,几乎每个从事性能设计研究的国家都构造了这种最新抗震设计的理论框架,尽管细节存在差异,但基本内容相同。
基于性能的结构抗震设计涉及工程地震、岩土工程、结构工程、建筑学及社会经济等诸多科学,每一个过程均涉及了一个广泛的研究领域,基于性能设计的挑战在于要明确每一个过程的关键技术,并展开研究,在不断的探索与进步中使基于性能的设计更加接近现实。
基于性能的结构抗震设计的性能目标
性能目标是社会和业主期望的结构性能,应包括两方面内容,即地震动性能指标和在确定地震地面运动作用下结构抗震的性能目标。
传统的地震危险性概率分析方法仍然是地震动性能划分的有力工具,但已不是单一用途的地震危险性分析方法,多种用途的危险性分析才能适应这种设计方法的要求。而对各种梁、柱、墙构件乃至整体结构实验结果及震害调查结果的定性定量分类,用强大的数据库进行综合非常必要,这种数据库甚至可提供构件及结构性能标准的图形形式。
基于性能的结构抗震概念设计
概念设计是对结构总体方案、设计策略和结构构造进行定性的引导,以提高结构综合抗震能力。而基于性能的结构抗震概念设计强调以性能目标为基础,对什么样的性能目标,就应采用什么样的概念设计,但概念设计的内容大致相同。
基于性能的建筑结构设计
结构设计就是确定结构体系、非结构体系的各种几何参数与详细构造,保证整体结构在未来的地震作用下可以达到预期的性能目标。基于性能的高层建筑结构抗震设计,以能量或变形为指标进行结构及构件设计。
在结构设计过程中,结构抗震计算方法极为关键。由于结构设计存在多性能目标,结构的线性与非线性计算方法在设计中都会得到应用,为了适应基于性能设计的需要,结构设计计算方法应具备如下特点:1)一目了然,以便设计人员能针对设计问题的概念公式勾划数量上的解答;2)灵活多变,以便设计人员能针对不同设计目标和结构体系得到合理的数值分析结果;3)简洁实用,使设计人员能在初步设计阶段方便地改进或完善最初的概念设计,同时在最终设计中行之有效。
结构设计计算的基本内容应以结构和构件的能量、变形反应为主要目标,精确方法与实用方法并重。
结构性能的抗震安全评价
结构性能的抗震安全评价是指在确定的地震动性能指标下,结构在刚度、强度、最大及累积变形能力方面所具备的抗震安全程度的估计。从目前的工程应用情况来看,确定性结构性能评价更为可行,性能评价准则应依据结构体系的不同而有所选择。由于地震发生在时间、地点和强度方面的随机性,从理论上说,采用概率可靠度性能评价是更为合理的,但对于高层建筑结构体系,概率可靠度性能评价方法难以有效地实施,这不仅是因为性能评价指标的随机性难以界定,更重要的是高层建筑结构的随机地震反应分析计算存在巨大的技术困难。
可以肯定地说,结构的抗震性能评价应当是一个多层次的综合评价,其实施过程可以分为两步,即首先对梁、柱、墙、节点的抗震性能进行评价,然后对结构的整体抗震性能进行综合评价,因此构件与结构抗震性能之间的关系有必要明确。
结构抗震性能控制措施
要真正实现基于性能的结构抗震设计,探索有效的结构抗震性能控制措施是必要的,从目前情况来看,结构抗震控制主要分设备控震、结构自控两种,如图8所示。从工程应用的角度来看,结构自控即结构抗震自适应能力更为重要。本文认为,对于高层建筑而言,一些重要性构件(如高层建筑中的剪力墙)不能作为耗能装置,因为这些构件的修复及加固较为困难,如设置为耗能装置,在/小震0作用下就可能出现破损,在/中震0作用下就可能进入难以修理的不利局面。主从抗震控制结构及国外新近出现的钢梁-混凝土柱组合结构等新型耗能结构值得推荐。
结构抗震性能的社会经济评价
在结构设计前,社会及业主一般对结构有经济指标的要求或限定,事实上,任何一种结构设计理论都是以达到最佳社会效益和经济指标为目的,基于性能的抗震设计理论也不例外。问题的关键是针对以地震损失估计、费用-效益分析、社会反应估计为内容的结构抗震性能的社会效益、经济指标的评价方法的科学性、全面程度如何。
结语
基于性能的建筑抗震設计的主要特点是由社会、公众选择结构性能目标,由设计人员尽可能地实现这些性能目标。与传统的基于承载力的抗震设计方法相比,它更加精细,更具可预测性。它赋予了社会、业主自由选择结构性能的权利,为结构工程师创造了展示才华的设计舞台,向更经济、更安全、更舒适的建筑结构设计理想迈出了坚实的一步。
给出了实现基于性能的建筑抗震设计的总流程图,并展示了各个过程的分流程图。由此明确了建立基于性能的抗震设计理论的研究方向及应着重研究的关键技术问题。
参考文献
1FEMA-273,274.NEHRP Guidelines for the Seismic Rehabilitationof Building.1997.
2SEAOC.Vision 2000-A Framework for Performance Based Earth-quake Engineering.1995,1(1).
3周锡元.国家自然科学基金重大项目专题年度研究报告(2000年)(子专题编号714).2000
[关键词] 基于结构性能 ；抗震设计 ；框图
[Abstract ] on performance based seismic design of building structures of several key links are discussed, given the overall design of the overall structure diagram and the key link in the design of the sub frame, the more clearly demonstrated the performance based seismic design of building structures the basic process.
[Key words] performance based seismic design; frame;
中图分类号： TU973+.31 文献标识码：A 文章编号：2095-2104（2012）
前言
现行建筑结构抗震设计准则是"小震不坏"、"中震可修"、"大震不倒",即以满足截面承载力要求保证"小震不坏",由结构非线性反应计算进行变形条件的验算从而实现"大震不倒",以特定配筋增强截面及构件延性达到"中震可修"。现行抗震规范的这种设计思想在建筑结构的设计实践中遇到了很大的困难,首先是"大震"作用下建筑结构的变形验算基本上没有进行,原因是缺乏有说服力的结构非线性地震反应分析方法;其次是"小震"作用下建筑结构线性地震反应分析方法要么过于粗糙、简单,要么过于复杂、耗时,有的甚至无法进行精确分析;而现行的高层建筑结构的抗震构造措施过于强调提高截面构件的延性,缺乏提高整体结构抗震性能的有效构造措施。
基于现有建筑结构抗震设计规范的缺陷及存在的问题,为了更好地满足社会和公众对结构抗震性能的多种需求,美国联邦紧急救援署(FEMA)和国家自然科学基金会(NSF)资助开展了一项为期6年的行动计划,对未来的抗震设计进行了多方面的基础性研究,提出了基于性能的抗震设计理论,包括设计理论的框架、性能水准的定性与定量描述、结构非线性分析方法。日本、新西兰、欧共体、加拿大、澳大利亚相继开展了基于性能的结构抗震设计理论的研究。2000年11月15日,这些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。可以肯定地说,基于性能的结构抗震设计理论已成为这些国家地震工程研究的热门课题。
基于性能的结构抗震设计理论的框架
与传统的结构抗震设计相比,基于性能的结构抗震设计在内容和形式上有了实质性变化,几乎每个从事性能设计研究的国家都构造了这种最新抗震设计的理论框架,尽管细节存在差异,但基本内容相同。
基于性能的结构抗震设计涉及工程地震、岩土工程、结构工程、建筑学及社会经济等诸多科学,每一个过程均涉及了一个广泛的研究领域,基于性能设计的挑战在于要明确每一个过程的关键技术,并展开研究,在不断的探索与进步中使基于性能的设计更加接近现实。
基于性能的结构抗震设计的性能目标
性能目标是社会和业主期望的结构性能,应包括两方面内容,即地震动性能指标和在确定地震地面运动作用下结构抗震的性能目标。
传统的地震危险性概率分析方法仍然是地震动性能划分的有力工具,但已不是单一用途的地震危险性分析方法,多种用途的危险性分析才能适应这种设计方法的要求。而对各种梁、柱、墙构件乃至整体结构实验结果及震害调查结果的定性定量分类,用强大的数据库进行综合非常必要,这种数据库甚至可提供构件及结构性能标准的图形形式。
基于性能的结构抗震概念设计
概念设计是对结构总体方案、设计策略和结构构造进行定性的引导,以提高结构综合抗震能力。而基于性能的结构抗震概念设计强调以性能目标为基础,对什么样的性能目标,就应采用什么样的概念设计,但概念设计的内容大致相同。
基于性能的建筑结构设计
结构设计就是确定结构体系、非结构体系的各种几何参数与详细构造,保证整体结构在未来的地震作用下可以达到预期的性能目标。基于性能的高层建筑结构抗震设计,以能量或变形为指标进行结构及构件设计。
在结构设计过程中,结构抗震计算方法极为关键。由于结构设计存在多性能目标,结构的线性与非线性计算方法在设计中都会得到应用,为了适应基于性能设计的需要,结构设计计算方法应具备如下特点:1)一目了然,以便设计人员能针对设计问题的概念公式勾划数量上的解答;2)灵活多变,以便设计人员能针对不同设计目标和结构体系得到合理的数值分析结果;3)简洁实用,使设计人员能在初步设计阶段方便地改进或完善最初的概念设计,同时在最终设计中行之有效。
结构设计计算的基本内容应以结构和构件的能量、变形反应为主要目标,精确方法与实用方法并重。
结构性能的抗震安全评价
结构性能的抗震安全评价是指在确定的地震动性能指标下,结构在刚度、强度、最大及累积变形能力方面所具备的抗震安全程度的估计。从目前的工程应用情况来看,确定性结构性能评价更为可行,性能评价准则应依据结构体系的不同而有所选择。由于地震发生在时间、地点和强度方面的随机性,从理论上说,采用概率可靠度性能评价是更为合理的,但对于高层建筑结构体系,概率可靠度性能评价方法难以有效地实施,这不仅是因为性能评价指标的随机性难以界定,更重要的是高层建筑结构的随机地震反应分析计算存在巨大的技术困难。
可以肯定地说,结构的抗震性能评价应当是一个多层次的综合评价,其实施过程可以分为两步,即首先对梁、柱、墙、节点的抗震性能进行评价,然后对结构的整体抗震性能进行综合评价,因此构件与结构抗震性能之间的关系有必要明确。
结构抗震性能控制措施
要真正实现基于性能的结构抗震设计,探索有效的结构抗震性能控制措施是必要的,从目前情况来看,结构抗震控制主要分设备控震、结构自控两种,如图8所示。从工程应用的角度来看,结构自控即结构抗震自适应能力更为重要。本文认为,对于高层建筑而言,一些重要性构件(如高层建筑中的剪力墙)不能作为耗能装置,因为这些构件的修复及加固较为困难,如设置为耗能装置,在/小震0作用下就可能出现破损,在/中震0作用下就可能进入难以修理的不利局面。主从抗震控制结构及国外新近出现的钢梁-混凝土柱组合结构等新型耗能结构值得推荐。
结构抗震性能的社会经济评价
在结构设计前,社会及业主一般对结构有经济指标的要求或限定,事实上,任何一种结构设计理论都是以达到最佳社会效益和经济指标为目的,基于性能的抗震设计理论也不例外。问题的关键是针对以地震损失估计、费用-效益分析、社会反应估计为内容的结构抗震性能的社会效益、经济指标的评价方法的科学性、全面程度如何。
结语
基于性能的建筑抗震設计的主要特点是由社会、公众选择结构性能目标,由设计人员尽可能地实现这些性能目标。与传统的基于承载力的抗震设计方法相比,它更加精细,更具可预测性。它赋予了社会、业主自由选择结构性能的权利,为结构工程师创造了展示才华的设计舞台,向更经济、更安全、更舒适的建筑结构设计理想迈出了坚实的一步。
给出了实现基于性能的建筑抗震设计的总流程图,并展示了各个过程的分流程图。由此明确了建立基于性能的抗震设计理论的研究方向及应着重研究的关键技术问题。
参考文献
1FEMA-273,274.NEHRP Guidelines for the Seismic Rehabilitationof Building.1997.
2SEAOC.Vision 2000-A Framework for Performance Based Earth-quake Engineering.1995,1(1).
3周锡元.国家自然科学基金重大项目专题年度研究报告(2000年)(子专题编号714).2000