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[力学] 基于性能的抗震设计浅析(一)

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“通俗讲基于性能的抗震设计”

为什么要做性能设计呢?

    在建筑物的使用寿命期间,当受到大于本地区设防烈度的罕见大地震时,可以容许建筑物有一定程度的损坏,但为了保护用户的人身安全,是不允许发生倒塌或危及生命的严重破坏。因此考虑安全性和经济性的平衡是过去抗震设计的主要目标。但是,对建筑物抗震性能的要求是各种各样的,只考虑安全性,就不能完全满足用户各种各样的要求。因此,进行基于性能的抗震设计方法是非常有必要的。

先来引入概念:

    基于结构性能的抗震设计是指所设计和建造的工程结构在各种可能遇到的地震作用下的反应和破坏程度均在设计预期的要求范围内,不仅能保证生命安全,而且能使经济损失最小。换句话说,是使得建筑物在某一特定设防地震等级下最大的破坏程度能按预期执行的设计。

    实质上,基于性能的抗震设计方法实际上是一种企图控制结构的变形,破坏状态和反应的设计,它除了需要确定地震设防水准外,还需要确定结构性能水准和性能目标。

    自20世纪90年代初美国工程界首次提出基于结构性能的抗震设计理论以来,该方法的特点是:

1.使抗震设计从宏观定性的目标向具体量化的多重目标过渡,业主和设计者可选择所需要的性能目标。

2.抗震设计中更强调实施性能目标的深入分析和论证,通过论证可以采用现行规范或标准中还未明确规定的新结构体系、新技术和新材料等。

3.有利于针对不同的抗震设防要求、场地条件及建筑的重要性采用不同的性能目标和抗震措施。

    而我国建筑抗震设计规范的主要编制内容可分为这三大方面:一、规范限定的适用条件;二、结构和构件的计算分析;三、结构和构件的构造要求。

因此对于一个新建建筑物的抗震设计,当满足以上三点进行要求时,就是符合规范的设计。当超出规范限定的适用条件要求进行设计时,就被称为“超限”工程,需要采取比规范第二、三方面更严格的计算论证分析和构造(通常以超限分析报告呈现),以证明该建筑可以达到“小震不坏,中震可修、大震不倒”或者更高的抗震设防目标。

    基于性能设计的基本思想就是使所设计的工程结构在使用期间满足各种预定的性能目标要求,而具体性能要求可根据建筑物和结构的重要性确定。对于结构工程师来说,可明确描述结构性能状态的物理量主要有:力、位移(刚度)、速度、加速度、能量和损伤

    由于用力(承载力)作为单独的指标难以全面描述结构的非弹性性能及破损状态(如下文所提),而用能量和损伤指标目前又难以进行实际应用。况且,表征结构抗震性能的主要参数主要有:强度、刚度和延性,而这三要素又与结构变形有关系。因此,目前基于性能的抗震设计方法的研究主要用位移指标对结构的抗震性能进行控制,这称为基于位移(能力)的抗震设计方法。

    然而目前对非超限结构,通常采用的是基于力的设计方法,基于力的设计方法虽然便于结构设计,但这种方法是存在问题的(详见后文),而基于性能设计要求能够给出结构在不同强度地震作用下,这些结构性能指标的需求值以及结构自身的能力值,尤其是当结构进入非弹性阶段时,因此基于性能的抗震设计更符合实际抗震需求

基于力的设计方法通常的步骤如下:

(注意:这种方法存在问题

(1)首先确定结构的方案设计,包括结构布置、确定构件截面尺寸和选用材料等,由此可确定结构的刚度。

(2)进而根据建筑物的质量和刚度,计算结构的弹性自振周期,并由弹性加速度反应谱确定结构的最大加速度和相应的水平地震作用。

(3)选取结构的延性水平,从而确定地震力折减系数,并对第(2)步所得的弹性地震力进行折减,得到设计用地震力。

而我国抗震设计规范为了便于工程师设计分析,直接给出与设防烈度相应的小震的地震动参数,约为基本地震加速度值的1/3,即地震力折减系数约为3。

(4)得到设计用地震力之后,用弹性理论计算结构在设计用地震力作用下的内力和位移,并进行层间弹性位移等结构指标验算。若结构在地震作用下的结构指标验算不满足要求,则重新调整结构方案或者局部调整方案,并进行重新计算。如果满足验算,则将地震内力与相应的其他荷载内力进行组合,得到构件截面内力设计值,据此进行构件截面承载力设计。

(5)最后对结构潜在的塑性区域或关键构件和部位进行详细的构造设计

但是

    基于力的抗震设计方法主要存在以下这些问题:

1. 由于基于力的设计是根据初始设定的结构刚度进行计算结构自振周期以及地震力,且将地震力在各抗侧力构件之间进行分配。由于实际上,结构随着非弹性变形的出现,结构刚度是变化的,因而在结构层次忽略非线性受力力学行为的分析,在结构受力过程中真实存在的非线性内力重分布就不能得到科学反映。因此,事实上,线弹性的结构内力分布不能反映真实的非线性结构内力分布规律!

2.对于基于力进行设计的初始条件,是按结构的初始刚度对各构件进行分配地震力,而基于力进行设计的假定是各构件在地震中同时达到屈服,但实际上,结构构件很难达到同时屈服,甚至在不同地震波作用下,各构件屈服顺序也可能存在差别。

    为了克服基于力的设计带来的问题,且更加科学直观的表现结构在不同烈度地震下震害的影响。基于性能的抗震设计是不错的思路,也可以说是基于位移/变形的校核设计方法对结构进行设计和后验分析。

具体是思路方法是仍按基于力的设计方法进行设计结构,再用基于位移/变形的分析方法校核结构,通常采用的方法是:静力弹塑性分析或动力弹塑性分析。简而言之,基于性能的抗震设计主要是为了探究结构自身能力和外变形需求的关系

    为了探究结构自身的能力,大多数学者或机构会研究和建议对(结构/构件/材料)更为客观科学的(宏/微观)的本构描述方法

    为了探究能对比校核结构变形,大多数学者或机构都会通过研究,为此建议出一把相应的尺子(不同水准下,各尺度下弹塑性变形限值),可供校核结构的弹塑性变形需求(强度需求、变形需求)和结构能力(强度能力、变形能力)的估计匹配,如整体结构的弹塑性变形限值、构件端部截面转角或曲率需求等等。

以上观点仅代表个人观点

小谈浅析,下期再见

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