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摘 要:地震是威胁人类生命安全的自然灾害之一，我国是地震比较活跃的国家之一，我们只有做好地震的检测预报工作，才能有效的降低地震带来的巨大损失。建筑工程如何有效的提高抗震性能，是目前国内外一致关注的问题，本文结合新抗震规范的特点，展开对建筑抗震性能的全面探讨。
关键词:新抗震规范；特点；性能化抗震；抗震设计方法
Abstract: Earthquake is a natural disaster threat to human lives and safety, China is one of the seismic active countries, we only do earthquake detection and forecasting work, in order to effectively reduce the huge losses brought by the earthquake. How to improve construction works effectively, the seismic performance is concern consistent at home and abroad, this paper combine the features of the new seismic code to start a comprehensive study on building seismic performance.Key words: new seismic specification; characteristics; performance-based earthquake; seismic design method
中图分类号：TU973+.31文献标识码： A 文章编号：2095-2104（2012）04-0020-02
1 新旧抗震设计规范的对比变化
近年来随着我国抗震检测技术的不断进步，我国建筑抗震设计规范也随之不断的调整和完善，和以前旧的抗震规范相比，在抗震理论和设计方法方面都发生了不小的变化，具体表现在：
(1)现行的规范对抗震设防依据、场地划分和地基基础设计的规定做了调整和改进。
(2)新规范对地震作用和抗震验算方法做了较为具体的规定,提出了长周期和不同阻尼比的设计反应谱,并对建筑结构分析适用模型作出了较明确的规定,增加了弹性分析和弹塑性分析的要求,当侧移附加弯矩大于水平力作用下构件弯矩的1/10时,应考虑重力二阶效应;明确了按楼盖刚度、扭转效应等的区别对待划分平面结构和空间结构分析的要求;对结构分析计算软件的选择和对电算结果的分析判断提出明确要求。
(3)对建筑结构地震作用的取值,从特征周期、最小地震力、偶然偏心和双向水平地震等四个方面来控制建筑结构地震作用。
(4)增加了结构弹塑性变形验算的规定,层间变形可采用静力的弹塑性计算方法,即所谓推覆(push-over)方法予以简化计算。
(5)提出增加各类建筑结构延性的设计和构造要求。
(6)新增了若干类结构的抗震设计原则,如配筋混凝土小砌块房屋、钢筋混凝土筒体结构、高强混凝土和预应力混凝土结构、高层和多层钢结构等。
(7)规定了隔震结构设计的具体要求和技术措施。
(8)规定了消能减震结构的具体措施。在建筑结构中设置消能器以吸收和耗散地震能量是实现基于性能要求的抗震设计的一种技术措施。
(9)明确了非结构构件抗震设计的要求。
从以上几点可以看出,现行新规范和旧的在抗震设计理论和计算方法以及抗震构造等方面做了更详细的规定,并对减震消能设计等均做了规定,使得这些新技术能够得到有依据的推广。
2现行抗震规范设计需要改进的地方
目前各国抗震设计规范中普遍采用的是/小震不坏,中震可修,大震不倒0三水准设防的抗震设计方法,是以保证生命安全为单一设防目标。尽管它可以做到在大震时主体结构可以避免倒塌以保证生命的安全,但是对一些现代建筑,内部设备的价值远远超出结构自身的价值,且由于建筑物功能的不同重要性,如医院、核电站等重要建筑,建筑物破坏所导致的直接经济损失、间接经济损失以及人员伤亡等方面的损失将是巨大的。因而现代建筑不仅要防止结构倒塌还要考虑控制经济损失、保证结构使用功能的延续等问题。基于性能设计的理念在于根据灾害荷载的不确定性(发生时间、强度、作用历时等的变化)以及抗力的不确定性的特点对不同风险度水平的灾害荷载作用(地震等),将建筑物设计成满足不同功能要求,保障建筑物在整个运行期充分发挥功能,方便维护和改建,符合经济目的。
结构构件在地震作用下的破坏程度与结构的位移响应和构件的变形能力有关,用位移控制结构在地震作用下的性能更为合理。因此在提出基于性能的结构抗震设计概念时,将地震作用下结构位移(变形)反应作为衡量结构性能的重要指标。
基于性能抗震设计制定的设计规范与基于性能进行工程抗震设计的主要区别是:基于性能制定抗震设计规范,确定其目标性能水平时要充分考虑全社会的经济发展状况,以及所有可能涉及到的结构形式,建筑物的用途,最后综合确定规范抗震性能水平,这也是抗震设计必须达到的最低要求,且在实现基于性能抗震设计时,规范必须要做到明确且简单实用。而基于性能抗震工程为某一工程项目从开始提出,一直到最后包括使用期间维护在内的整个使用寿命的全过程。它包括选择设计标准,恰当的结构形式和布局,结构细部设计和非结构构件的设计,保证和控制施工质量和长时间的维护,使之在使用期间,在可能遭受的不同水平地震作用下,能达到预先确定的不同性能水平。在这里,结构目标性能水平需要业主根据建筑功能、用途和经济条件,以及和结构工程师相互讨论决定。而结构工程师也应该提供初始造价、维护造价、以及在地震后可能的损坏以及修复费用,使结构在整个生命周期内费用达到最小。
3性能化抗震設计概述
对应于性能化抗震设计的概念和方法,结构分析方法也有了相应的变化。我国现行的结构抗震设计是基于承载力和强度的设计,用线弹性的方法计算结构在小震作用下的内力,但在用组合内力进行构件承载能力设计时,使用的却是弹塑性的方法,因此本身这方法就存在矛盾。而性能化抗震设计理论的抗震设计是从传统的以力为基础设计转变成以变形为基础的设计,从弹性设计方法转变为弹塑性的设计方法,解决传统设计理论上的不足,尽可能使结构预期功能与实际地震作用下的功能相符合。
性能化抗震设计结构计算分析方法与设计方法采用基于性能的结构设计,使结构设计发生革命性的变化,从传统的以力为基础的设计转变成以变形为基础的设计,这必须从弹性设计方法转变为弹塑性的设计方法。目前,结构非弹性变形的计算分析方法主要有非线性静力和非线性动力分析方法。各种分析方法是目前抗震设计发展的热点,分述如下。
非线性静力分析方法(PushOver分析方法,也称非线性静力推覆分析)是目前国内外应用较广的抗震结构静力弹塑性分析方法,主要应用于变形验算,尤其是大震下的抗倒塌验算。采用PushOver分析方法,既可求得结构的变形,还可以了解结构的破坏机制,找出结构薄弱部位,具有良好的工程适用性。其基本步骤是:
(1)将结构简化为等效单自由度结构体系,计算在设计水准地震作用下基底剪力以及最大弹塑性位移,并将其作为目标位移。
(2)将地震作用简化为倒三角形或第一振型等荷载模式水平方向作用于结构计算模型上。
(3)单调逐级增加水平荷载作用进行非线性静力分析,直到结构顶点位移达到目标位移。
(4)求出每根杆在各级荷载作用下的内力和变形,找出塑性铰并修改总刚矩阵,重新求出构件的强度和变形并与容许值比较,从而评估结构的抗震性能。
非线性动力分析法也称为弹塑性时程分析方法。此方法要求提供与设计反应谱相匹配的地面运动加速度时程,建立构件的恢复力特性模型、二维或三维结构的简化计算模型,逐步积分求出结构在地震过程中的每一时刻的弹塑性地震反应。该方法利用动力方法解决的在地震作用下结构的反应,考虑到地震动三要素、构件恢复力模型等影响,比非线性静力方法能更好地反应在不同地震作用下结构的特性。但此方法比较复杂,计算工作量较大,加上时程分析法内在的诸多不确定因素,如输入加速度时程、恢复力模型、结构计算模型等,使其在实际工程中难以得到广泛的应用。
能力谱法是基于性能抗震设计的另外一种方法,它实质上通过地震反应谱曲线和结构能力谱曲线的叠加来评估结构在给定地震作用下的反应特性。其基本步骤如下:
(1)用单调增加水平荷载作用下的静力弹塑性分析方法(PushOver方法),计算结构的基底剪力和顶点位移。(2)建立能力谱曲线(Capacity SpectrumCurve),采用等效单自由度体系代替原结构,将基底剪力-顶点位移曲线转化为谱加速度曲线-谱位移关系曲线,即能力谱曲线。(3)确定结构的等效阻尼或延性比,在设防水准地震作用下,根据结构构件的弹塑性变形及滞回耗能确定单自由度体系的等效阻尼比或位移延性比。(4)建立需求谱曲线(DemandSpectrum Curve)。采用规范的加速度反应谱作为结构的地面运动输入手,将其转化为在结构等效阻尼或延性比下的谱加速度曲线-谱位移关系曲线。
(5)检验结构的抗震能力,将能力谱曲线和需求谱曲线叠加在同一坐标中,并定义两曲线的交点为性能反应点(Performance Point),若两曲线无交点说明结构抗震能力不足,需重新设计,若两曲线相交,交点对应的位移为等效自由度体系在该地震作用下的谱位移,并将其转化为顶点位移。不难看出,这种方法用于判断结构在给定地震作用下的弹塑性反应取决于性能反应点的位置。
總之，以实际震害为背景依据的基于性能的抗震设计理念是最近国际地震工程界普遍关注的问题,在美国、日本等国家已经进行了大量的基础研究,并且作为未来抗震设计的主要发展理念和方向。在基于性能抗震设计中,不仅扩大了设计者与使用者之间的沟通与交流,使设计的结构更直接地满足不同使用者的要求,同时也可以扩大国家与国家之间的交流与合作,便于国际间建立统一的结构抗震设计规范。
参考文献:
[1]中华人民共和国国家标准.建筑抗震设计规范(GB50011-2001).中国计划出版社,2001
[2]黄群贤,林建华.基于功能的结构抗震设计概念.低温建筑技术,2002年第3期,P39-40
[3]张新培.基于性能的抗震结构设计理论的若干进展.四川建筑科学研究,2001年3月,第27卷,第1期,P34
关键词:新抗震规范；特点；性能化抗震；抗震设计方法
Abstract: Earthquake is a natural disaster threat to human lives and safety, China is one of the seismic active countries, we only do earthquake detection and forecasting work, in order to effectively reduce the huge losses brought by the earthquake. How to improve construction works effectively, the seismic performance is concern consistent at home and abroad, this paper combine the features of the new seismic code to start a comprehensive study on building seismic performance.Key words: new seismic specification; characteristics; performance-based earthquake; seismic design method
中图分类号：TU973+.31文献标识码： A 文章编号：2095-2104（2012）04-0020-02
1 新旧抗震设计规范的对比变化
近年来随着我国抗震检测技术的不断进步，我国建筑抗震设计规范也随之不断的调整和完善，和以前旧的抗震规范相比，在抗震理论和设计方法方面都发生了不小的变化，具体表现在：
(1)现行的规范对抗震设防依据、场地划分和地基基础设计的规定做了调整和改进。
(2)新规范对地震作用和抗震验算方法做了较为具体的规定,提出了长周期和不同阻尼比的设计反应谱,并对建筑结构分析适用模型作出了较明确的规定,增加了弹性分析和弹塑性分析的要求,当侧移附加弯矩大于水平力作用下构件弯矩的1/10时,应考虑重力二阶效应;明确了按楼盖刚度、扭转效应等的区别对待划分平面结构和空间结构分析的要求;对结构分析计算软件的选择和对电算结果的分析判断提出明确要求。
(3)对建筑结构地震作用的取值,从特征周期、最小地震力、偶然偏心和双向水平地震等四个方面来控制建筑结构地震作用。
(4)增加了结构弹塑性变形验算的规定,层间变形可采用静力的弹塑性计算方法,即所谓推覆(push-over)方法予以简化计算。
(5)提出增加各类建筑结构延性的设计和构造要求。
(6)新增了若干类结构的抗震设计原则,如配筋混凝土小砌块房屋、钢筋混凝土筒体结构、高强混凝土和预应力混凝土结构、高层和多层钢结构等。
(7)规定了隔震结构设计的具体要求和技术措施。
(8)规定了消能减震结构的具体措施。在建筑结构中设置消能器以吸收和耗散地震能量是实现基于性能要求的抗震设计的一种技术措施。
(9)明确了非结构构件抗震设计的要求。
从以上几点可以看出,现行新规范和旧的在抗震设计理论和计算方法以及抗震构造等方面做了更详细的规定,并对减震消能设计等均做了规定,使得这些新技术能够得到有依据的推广。
2现行抗震规范设计需要改进的地方
目前各国抗震设计规范中普遍采用的是/小震不坏,中震可修,大震不倒0三水准设防的抗震设计方法,是以保证生命安全为单一设防目标。尽管它可以做到在大震时主体结构可以避免倒塌以保证生命的安全,但是对一些现代建筑,内部设备的价值远远超出结构自身的价值,且由于建筑物功能的不同重要性,如医院、核电站等重要建筑,建筑物破坏所导致的直接经济损失、间接经济损失以及人员伤亡等方面的损失将是巨大的。因而现代建筑不仅要防止结构倒塌还要考虑控制经济损失、保证结构使用功能的延续等问题。基于性能设计的理念在于根据灾害荷载的不确定性(发生时间、强度、作用历时等的变化)以及抗力的不确定性的特点对不同风险度水平的灾害荷载作用(地震等),将建筑物设计成满足不同功能要求,保障建筑物在整个运行期充分发挥功能,方便维护和改建,符合经济目的。
结构构件在地震作用下的破坏程度与结构的位移响应和构件的变形能力有关,用位移控制结构在地震作用下的性能更为合理。因此在提出基于性能的结构抗震设计概念时,将地震作用下结构位移(变形)反应作为衡量结构性能的重要指标。
基于性能抗震设计制定的设计规范与基于性能进行工程抗震设计的主要区别是:基于性能制定抗震设计规范,确定其目标性能水平时要充分考虑全社会的经济发展状况,以及所有可能涉及到的结构形式,建筑物的用途,最后综合确定规范抗震性能水平,这也是抗震设计必须达到的最低要求,且在实现基于性能抗震设计时,规范必须要做到明确且简单实用。而基于性能抗震工程为某一工程项目从开始提出,一直到最后包括使用期间维护在内的整个使用寿命的全过程。它包括选择设计标准,恰当的结构形式和布局,结构细部设计和非结构构件的设计,保证和控制施工质量和长时间的维护,使之在使用期间,在可能遭受的不同水平地震作用下,能达到预先确定的不同性能水平。在这里,结构目标性能水平需要业主根据建筑功能、用途和经济条件,以及和结构工程师相互讨论决定。而结构工程师也应该提供初始造价、维护造价、以及在地震后可能的损坏以及修复费用,使结构在整个生命周期内费用达到最小。
3性能化抗震設计概述
对应于性能化抗震设计的概念和方法,结构分析方法也有了相应的变化。我国现行的结构抗震设计是基于承载力和强度的设计,用线弹性的方法计算结构在小震作用下的内力,但在用组合内力进行构件承载能力设计时,使用的却是弹塑性的方法,因此本身这方法就存在矛盾。而性能化抗震设计理论的抗震设计是从传统的以力为基础设计转变成以变形为基础的设计,从弹性设计方法转变为弹塑性的设计方法,解决传统设计理论上的不足,尽可能使结构预期功能与实际地震作用下的功能相符合。
性能化抗震设计结构计算分析方法与设计方法采用基于性能的结构设计,使结构设计发生革命性的变化,从传统的以力为基础的设计转变成以变形为基础的设计,这必须从弹性设计方法转变为弹塑性的设计方法。目前,结构非弹性变形的计算分析方法主要有非线性静力和非线性动力分析方法。各种分析方法是目前抗震设计发展的热点,分述如下。
非线性静力分析方法(PushOver分析方法,也称非线性静力推覆分析)是目前国内外应用较广的抗震结构静力弹塑性分析方法,主要应用于变形验算,尤其是大震下的抗倒塌验算。采用PushOver分析方法,既可求得结构的变形,还可以了解结构的破坏机制,找出结构薄弱部位,具有良好的工程适用性。其基本步骤是:
(1)将结构简化为等效单自由度结构体系,计算在设计水准地震作用下基底剪力以及最大弹塑性位移,并将其作为目标位移。
(2)将地震作用简化为倒三角形或第一振型等荷载模式水平方向作用于结构计算模型上。
(3)单调逐级增加水平荷载作用进行非线性静力分析,直到结构顶点位移达到目标位移。
(4)求出每根杆在各级荷载作用下的内力和变形,找出塑性铰并修改总刚矩阵,重新求出构件的强度和变形并与容许值比较,从而评估结构的抗震性能。
非线性动力分析法也称为弹塑性时程分析方法。此方法要求提供与设计反应谱相匹配的地面运动加速度时程,建立构件的恢复力特性模型、二维或三维结构的简化计算模型,逐步积分求出结构在地震过程中的每一时刻的弹塑性地震反应。该方法利用动力方法解决的在地震作用下结构的反应,考虑到地震动三要素、构件恢复力模型等影响,比非线性静力方法能更好地反应在不同地震作用下结构的特性。但此方法比较复杂,计算工作量较大,加上时程分析法内在的诸多不确定因素,如输入加速度时程、恢复力模型、结构计算模型等,使其在实际工程中难以得到广泛的应用。
能力谱法是基于性能抗震设计的另外一种方法,它实质上通过地震反应谱曲线和结构能力谱曲线的叠加来评估结构在给定地震作用下的反应特性。其基本步骤如下:
(1)用单调增加水平荷载作用下的静力弹塑性分析方法(PushOver方法),计算结构的基底剪力和顶点位移。(2)建立能力谱曲线(Capacity SpectrumCurve),采用等效单自由度体系代替原结构,将基底剪力-顶点位移曲线转化为谱加速度曲线-谱位移关系曲线,即能力谱曲线。(3)确定结构的等效阻尼或延性比,在设防水准地震作用下,根据结构构件的弹塑性变形及滞回耗能确定单自由度体系的等效阻尼比或位移延性比。(4)建立需求谱曲线(DemandSpectrum Curve)。采用规范的加速度反应谱作为结构的地面运动输入手,将其转化为在结构等效阻尼或延性比下的谱加速度曲线-谱位移关系曲线。
(5)检验结构的抗震能力,将能力谱曲线和需求谱曲线叠加在同一坐标中,并定义两曲线的交点为性能反应点(Performance Point),若两曲线无交点说明结构抗震能力不足,需重新设计,若两曲线相交,交点对应的位移为等效自由度体系在该地震作用下的谱位移,并将其转化为顶点位移。不难看出,这种方法用于判断结构在给定地震作用下的弹塑性反应取决于性能反应点的位置。
總之，以实际震害为背景依据的基于性能的抗震设计理念是最近国际地震工程界普遍关注的问题,在美国、日本等国家已经进行了大量的基础研究,并且作为未来抗震设计的主要发展理念和方向。在基于性能抗震设计中,不仅扩大了设计者与使用者之间的沟通与交流,使设计的结构更直接地满足不同使用者的要求,同时也可以扩大国家与国家之间的交流与合作,便于国际间建立统一的结构抗震设计规范。
参考文献:
[1]中华人民共和国国家标准.建筑抗震设计规范(GB50011-2001).中国计划出版社,2001
[2]黄群贤,林建华.基于功能的结构抗震设计概念.低温建筑技术,2002年第3期,P39-40
[3]张新培.基于性能的抗震结构设计理论的若干进展.四川建筑科学研究,2001年3月,第27卷,第1期,P34