于蘭蘭

(濰坊學(xué)院,山東 濰坊 261061)

基于性能的建筑抗震設(shè)計(jì)發(fā)展＊

于蘭蘭

(濰坊學(xué)院,山東 濰坊 261061)

本文以《建筑工程抗震性態(tài)設(shè)計(jì)通則》為綱,從地震設(shè)防水準(zhǔn)、結(jié)構(gòu)性態(tài)目標(biāo)的確定,以及基于性能的分析方法三個(gè)方面對(duì)近幾年國(guó)內(nèi)性能抗震設(shè)計(jì)的研究現(xiàn)狀進(jìn)行了綜述。

基于性能結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì);設(shè)防水準(zhǔn);性能設(shè)計(jì)

0 前言

我國(guó)現(xiàn)行建筑抗震規(guī)范實(shí)行的是“小震不壞,中震可修,大震不倒”的三水準(zhǔn)的設(shè)防要求。通過(guò)對(duì)汶川地震建筑物破壞情況調(diào)查統(tǒng)計(jì)表明,凡是按照現(xiàn)行抗震規(guī)范設(shè)計(jì)的建筑物倒塌的情況很少,建筑結(jié)構(gòu)基本上滿足了規(guī)范規(guī)定的“大震不倒”的性態(tài)目標(biāo)。但令人堪憂的是,盡管結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)“大震不倒”,但由于其使用功能無(wú)法修復(fù),導(dǎo)致巨大經(jīng)濟(jì)損失。2004年6月,中國(guó)工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會(huì)正式批準(zhǔn)中國(guó)工程院院士、中國(guó)地震局工程力學(xué)所研究員謝禮立主編的《建筑工程抗震性態(tài)設(shè)計(jì)通則》(以下簡(jiǎn)稱“通則”),作為中國(guó)第一本具有樣板規(guī)范性質(zhì)的建設(shè)工程抗震性態(tài)設(shè)計(jì)技術(shù)文件(CECS160:2004),在全國(guó)試行?！锻▌t》總結(jié)了國(guó)內(nèi)外的最新抗震科研成果和工程經(jīng)驗(yàn),提出了有關(guān)抗震性態(tài)/性能設(shè)計(jì)、設(shè)計(jì)地震加速度、結(jié)構(gòu)彈塑性地震反應(yīng)、結(jié)構(gòu)影響系數(shù)、結(jié)構(gòu)彈塑性側(cè)移、高頻結(jié)構(gòu)豎向地震反應(yīng)、建筑抗震設(shè)計(jì)類別等諸多抗震設(shè)計(jì)新概念和新方法,對(duì)我國(guó)基于性能的建筑抗震設(shè)計(jì)將起到積極的推動(dòng)作用。

1 性能抗震設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容

1990年代初,美國(guó)學(xué)者率先提出了基于性態(tài)結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)概念,引起了地震工程界的極大興趣,被認(rèn)為是未來(lái)結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)的主要發(fā)展方向?；谛阅?性態(tài))的結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)是根據(jù)建筑物的重要性、用途或是業(yè)主的要求來(lái)確定其性能目標(biāo),提出不同的抗震設(shè)防水準(zhǔn)并進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),最后對(duì)設(shè)計(jì)出的結(jié)構(gòu)作出性能評(píng)估,看是否能滿足性能目標(biāo)的要求,其目的是使設(shè)計(jì)的建筑結(jié)構(gòu)在未來(lái)地震中具備預(yù)期的功能。美國(guó)加州結(jié)構(gòu)工程學(xué)會(huì)的放眼21世紀(jì)委員會(huì)提出了基于性能的抗震設(shè)計(jì)(PBSD)的理論框架,性能抗震設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容包括地震設(shè)防水準(zhǔn)的劃分,結(jié)構(gòu)抗震性態(tài)水平的確定,基于性態(tài)的結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)方法[2]。

2 地震設(shè)防水平的劃分

對(duì)于基于性能抗震設(shè)計(jì),為了實(shí)現(xiàn)多級(jí)設(shè)防標(biāo)準(zhǔn),控制不同水平地震作用下結(jié)構(gòu)的破壞狀態(tài),就需要在設(shè)防地震劃分的基礎(chǔ)上,細(xì)化地震設(shè)防水平,并且直接采用地震動(dòng)參數(shù)(目前還只限于地震加速度)來(lái)確定,美國(guó)的研究機(jī)構(gòu)普遍將地震設(shè)防水準(zhǔn)劃分為5個(gè)水平,文獻(xiàn)[3]在總結(jié)美國(guó)三大研究機(jī)構(gòu)(SEAOC、ATC、FEMA)研究的基礎(chǔ)上,給出了基于性能抗震設(shè)計(jì)的地震設(shè)防水平。(見(jiàn)表1)

表1 基于性能抗震設(shè)計(jì)地震設(shè)防水平的劃分

我國(guó)《通則》在綜合國(guó)內(nèi)外研究成果的基礎(chǔ)上,結(jié)合我國(guó)的實(shí)際情況,根據(jù)抗震建筑重要性類別做了分類。(見(jiàn)表2)

表2 《通則》中對(duì)地震設(shè)防水準(zhǔn)的劃分

由表2可知,在《通則》中,對(duì)于重要性不同的建筑,發(fā)生某一概率水準(zhǔn)的地震是采用不同的年限確定相應(yīng)的設(shè)計(jì)地震加速度值,也就是說(shuō),列為具有較高重要性等級(jí)的建筑物考慮發(fā)生同一概率水準(zhǔn)地震的年限應(yīng)該取的更長(zhǎng)一些,通則用這種方式來(lái)體現(xiàn)對(duì)建筑不同重要性等級(jí)要求的做法,顯然比現(xiàn)行抗震規(guī)范中簡(jiǎn)單地增減抗震設(shè)防烈度的處理方式更為合理。

3 結(jié)構(gòu)抗震性態(tài)水平的確定

結(jié)構(gòu)的抗震性態(tài)水平是對(duì)設(shè)計(jì)的建筑物在可能遭受的特定設(shè)計(jì)地震作用下所規(guī)定的最低性態(tài)要求或容許的最大破壞。《通則》是根據(jù)抗震建筑的使用功能分類,對(duì)不同地震震動(dòng)水平下的結(jié)構(gòu)最低性態(tài)目標(biāo)分為充分運(yùn)行、運(yùn)行、基本運(yùn)行、生命安全、接近倒塌五個(gè)性能水準(zhǔn)[1]。表3列出了《通則》中考慮的不同使用功能的建筑在三級(jí)地震震動(dòng)水平下的結(jié)構(gòu)需滿足的最低抗震性態(tài)要求。表3中 TMJ是由建筑重要性類別規(guī)定的年限,根據(jù)這個(gè)年限和給定的超越概率,可確定相應(yīng)重要性類別的設(shè)計(jì)地震震動(dòng)參數(shù)。對(duì)重要性類別為丙類的建筑,取TMJ=50年;乙類的建筑,取 TMJ=100年;甲類的建筑,取TMJ=200年。

表3 各級(jí)地震動(dòng)水平下的最低抗震性態(tài)要求

4 結(jié)構(gòu)的性態(tài)指標(biāo)的量化

反映結(jié)構(gòu)性態(tài)水平的性態(tài)指標(biāo)的確定是對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行性態(tài)設(shè)計(jì)及評(píng)估的關(guān)鍵環(huán)節(jié),如何科學(xué)合理的確定性態(tài)指標(biāo)至關(guān)重要。目前關(guān)于結(jié)構(gòu)性能水平的劃分還沒(méi)有形成統(tǒng)一的認(rèn)識(shí),常見(jiàn)的幾種性態(tài)指標(biāo)的研究工作主要集中在基于結(jié)構(gòu)位移的指標(biāo)、基于結(jié)構(gòu)損傷的指標(biāo)等。

文獻(xiàn)[3]給出了以結(jié)構(gòu)頂點(diǎn)位移劃分的性能水準(zhǔn)。(見(jiàn)表4)

我國(guó)《通則》結(jié)合國(guó)內(nèi)外的研究成果,給出了在抗震設(shè)防地震下和罕遇地震下,不同使用功能類別結(jié)構(gòu)的層間位移限值,用以控制結(jié)構(gòu)的性態(tài)水平。

由于地震損傷是破壞結(jié)構(gòu)使用功能和導(dǎo)致結(jié)構(gòu)倒塌的主要原因,因此基于損傷性能的抗震設(shè)計(jì)方法一直被國(guó)內(nèi)外學(xué)者重視,主要從材料、構(gòu)件、結(jié)構(gòu)三個(gè)層次展開(kāi)討論。自從Park和Ang提出了鋼筋混凝土構(gòu)件地震彈塑性變形和累積滯變耗能線性組合的地震損傷模型后,國(guó)內(nèi)外很多學(xué)者就致力于有關(guān)地震損傷的指標(biāo)量化的研究工作。文獻(xiàn)[4]列出了結(jié)構(gòu)的性能水準(zhǔn)與損傷指標(biāo)之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系,并對(duì)剪切型結(jié)構(gòu),提出了結(jié)構(gòu)層間柱-壓彎構(gòu)件三線性恢復(fù)力模型參數(shù)確定和地震損傷計(jì)算方法。文獻(xiàn)[5]針對(duì)彎曲型結(jié)構(gòu)和剪切型結(jié)構(gòu),在Park-Ang模型的基礎(chǔ)上提出了基于能力譜法的地震損傷指標(biāo)的計(jì)算公式。

另一種思路是從結(jié)構(gòu)整體出發(fā),通過(guò)結(jié)構(gòu)非線性階段的剛度退化程度來(lái)表達(dá)結(jié)構(gòu)整體的損傷程度[6]。結(jié)構(gòu)損傷值可由結(jié)構(gòu)遭受地震前后的剛度之比來(lái)表示。結(jié)構(gòu)的剛度損傷模型可用式D=1-K1/K0來(lái)表示,式中,D為結(jié)構(gòu)的損傷指數(shù);K0為結(jié)構(gòu)遭受地震前,采用推倒分析所得的基底水平力-頂部位移圖中的初始斜率;K1為遭受地震后基底水平力-頂部位移圖中的初始斜率。此方法的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)損傷指數(shù)D不需要通過(guò)構(gòu)件損傷指標(biāo)的加權(quán)處理來(lái)獲得,從而避免了加權(quán)處理方法中權(quán)系數(shù)確定的難點(diǎn),同時(shí)結(jié)構(gòu)在不同的加荷狀態(tài)均可計(jì)算損傷值,而無(wú)需猜測(cè)最大位移或結(jié)構(gòu)臨近倒塌時(shí)的變形。

文獻(xiàn)[4]基于Park-Ang模型,得出鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的性態(tài)水平與損傷指數(shù)之間的定量關(guān)系,基本完好的損傷指數(shù)為0-0.20,輕微破壞為0.20-0.40,中等破壞為0.40-0.60,嚴(yán)重破壞為0.60-0.90,倒塌為＞0.90。

5 基于性態(tài)的結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)評(píng)估方法的研究

實(shí)驗(yàn)證明,結(jié)構(gòu)的性態(tài)水平與結(jié)構(gòu)的層間位移角具有相關(guān)性,層間位移角能夠反映鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)層間各構(gòu)件變形的綜合結(jié)果和層高的影響。文獻(xiàn)[7]建立了RC框架下層架位移與構(gòu)件變形之間的關(guān)系,研究了柱的變形特點(diǎn)和影響因素。目前,以層間位移角為量化指標(biāo)的性態(tài)設(shè)計(jì)被廣泛研究[8-9]。

基于位移法的性能設(shè)計(jì)的一般思路為在結(jié)構(gòu)自振周期相等的前提下,首先將多自由度體系等效為一單自由度體系來(lái)簡(jiǎn)化計(jì)算,求等效單自由度體系的最大位移反應(yīng)Δd,然后利用位移反應(yīng)譜確定與最大位移反應(yīng)Δd相對(duì)應(yīng)的有效周期 Te。利用 Te推導(dǎo)出 Ke后再根據(jù)Vb=KeΔd求得等效單自由度體系的基底剪力Vb,再進(jìn)一步反推導(dǎo)得到多自由度體系各個(gè)質(zhì)點(diǎn)的水平地震作用,以利于結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)計(jì)算。

基于位移的性能指標(biāo)一般通過(guò)對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行非線性靜力分析方法(Pushover分析方法)和非線性動(dòng)力分析方法得到。非線性動(dòng)力分析方法的優(yōu)點(diǎn)是能充分反映地震震動(dòng)三要素(頻譜、震幅與持時(shí))的影響,但該法較復(fù)雜,工作量較大,在地震波選取、恢復(fù)力模型、結(jié)構(gòu)計(jì)算模型等方面存在不足,使其在工程中推廣應(yīng)用受限制。而基于Pushover分析的非線性靜力分析方法由于具有簡(jiǎn)單和操作性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)而被國(guó)內(nèi)外廣泛研究,基于Pushover分析的抗震評(píng)估方法主要有能力譜法、等效位移系數(shù)法以及N2方法等。

能力譜法的思路是首先假定地震荷載的分布模式,然后單調(diào)加載直至結(jié)構(gòu)倒塌或進(jìn)入不穩(wěn)定狀態(tài),并根據(jù)剛度的變化隨時(shí)調(diào)整荷載分布,同時(shí)記錄結(jié)構(gòu)的頂點(diǎn)位移和底部剪力值。然后再分別除以相應(yīng)的振型參與系數(shù)和有效振動(dòng)質(zhì)量,得到譜加速度-譜位移表示的結(jié)構(gòu)能力曲線。再將規(guī)范給出的設(shè)計(jì)反應(yīng)譜轉(zhuǎn)化成譜加速度-譜位移表示的結(jié)構(gòu)需求譜曲線。二者的交點(diǎn)即為結(jié)構(gòu)在地震中可能達(dá)到的最大位移響應(yīng)(見(jiàn)圖1)。然后再將其轉(zhuǎn)化成頂點(diǎn)位移,將等效單自由度體系(SDOF體系)頂點(diǎn)位移轉(zhuǎn)化為多自由度體系(MDOF體系)頂點(diǎn)位移,從而判斷出結(jié)構(gòu)的抗震性能。若出現(xiàn)能力譜與需求譜不相交的情況,則說(shuō)明結(jié)構(gòu)無(wú)法抵抗假定的地震作用,設(shè)計(jì)不合理,須重新選擇結(jié)構(gòu)體系。

目前,這種方法已經(jīng)應(yīng)用于2000年日本的新規(guī)范中。但此方法對(duì)短周期結(jié)構(gòu)分析精度尚可,但對(duì)長(zhǎng)周期結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō),由于高振型的影響可能會(huì)帶來(lái)較大的誤差。鑒于此,Chopra和 Geol借助彈性體系振型分解反應(yīng)譜方法的思路提出的模態(tài)Pushover法就是其中一種較好的改進(jìn)[10]。這種方法保留了概念的簡(jiǎn)潔性,側(cè)向力或側(cè)向位移分布保持不變,而且在估算結(jié)構(gòu)地震需求方面具有較好的精度。葉列平充分發(fā)揮圖表法在確定性態(tài)點(diǎn)時(shí)直觀性的優(yōu)點(diǎn),提出了一種“能力-需求曲線”的方法,解決了地震位移需求確定過(guò)于復(fù)雜和長(zhǎng)周期結(jié)構(gòu)可能會(huì)產(chǎn)生較大誤差的不利問(wèn)題[11]。另外,文獻(xiàn)[12]在模態(tài)Push-over法的基礎(chǔ)上,通過(guò)算例驗(yàn)證了利用延性需求譜求解結(jié)構(gòu)位移需求是一種具有一定精度可為工程接受的簡(jiǎn)便方法,在基于性能的抗震設(shè)計(jì)中具有較好的應(yīng)用前景。

圖1 能力譜方法

等效位移系數(shù)法的基本思路是結(jié)構(gòu)目標(biāo)位移通過(guò)公式(1)確定。

式中,C0為SDOF體系和MDOF體系頂點(diǎn)位移(譜位移)之間的修正系數(shù),可以為控制點(diǎn)出第一振型參與系數(shù)或達(dá)到目標(biāo)位移時(shí)變形形狀對(duì)應(yīng)的振型矢量計(jì)算得到的參與系數(shù);C1為最大非線性位移期望值與線性位移的比例因子,C1一般大于1.0但不超過(guò)1.5;C2為滯回環(huán)形狀對(duì)最大位移反應(yīng)的影響系數(shù),按結(jié)構(gòu)形式和建筑物重要性的不同來(lái)取值;C3為P-△效應(yīng)對(duì)位移反應(yīng)的影響系數(shù)對(duì)于屈服后的結(jié)構(gòu),值取1.0;Sa為在實(shí)際自振周期和阻尼比的譜反應(yīng)加速度;T0為實(shí)際自振周期。求得目標(biāo)位移,然后再按照推導(dǎo)出的需求譜來(lái)估計(jì)相應(yīng)性態(tài)水平的加速度,從而進(jìn)行結(jié)構(gòu)地震震動(dòng)輸入進(jìn)行構(gòu)件設(shè)計(jì)。

N2方法最早由Fajfar提出[13],思路和能力譜方法類似,即首先通過(guò)非線性靜力分析將MDOF體系轉(zhuǎn)化成等效的SDOF體系進(jìn)行分析,得出反映不同性態(tài)水平的體系反應(yīng),從而進(jìn)行基于性能的結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)。在此基礎(chǔ)上,文獻(xiàn)[14]提出了一種適用于不規(guī)則橋梁性態(tài)設(shè)計(jì)的N2方法,將Pushover法與非線性時(shí)程分析法結(jié)合起來(lái)對(duì)模型復(fù)雜的橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析,這同時(shí)對(duì)較為復(fù)雜的建筑結(jié)構(gòu)分析提供了一種可供參考的思路。

6 可靠度概念的引入

性能指標(biāo)與性能水準(zhǔn)是一一對(duì)應(yīng)的,即每一級(jí)性能目標(biāo)都代表一種破壞程度。而實(shí)際工程中,由于地震作用的隨機(jī)性,場(chǎng)地條件、結(jié)構(gòu)選型、構(gòu)件截面尺寸、材料強(qiáng)度等因素的不確定性,某一性能指標(biāo)很難百分百地代表結(jié)構(gòu)的性能水準(zhǔn)。因此,將性能指標(biāo)賦予一定的概率意義,更能科學(xué)合理地解決問(wèn)題,即性能指標(biāo)能夠多大程度地代表性能水準(zhǔn)的問(wèn)題。吳波[15]提出了直接基于位移可靠度的抗震設(shè)計(jì)中層間目標(biāo)位移代表值的確定方法,從而將可靠度理論與基于性能的抗震設(shè)計(jì)方法結(jié)合起來(lái)。

7 結(jié)論及展望

隨著我國(guó)《通則》的試用,基于性能的抗震設(shè)計(jì)必將得到越來(lái)越廣泛的研究和應(yīng)用?；谛阅艿目拐鹪O(shè)計(jì)關(guān)鍵問(wèn)題是性能指標(biāo)的確定以及基于性能抗震方法的實(shí)用性研究。由于不同結(jié)構(gòu)形式、不同材料類別之間的差異,相同水平的地震激勵(lì)下所表現(xiàn)出來(lái)的性能水平有很大差異,量化對(duì)應(yīng)各種結(jié)構(gòu)性態(tài)指標(biāo)的工作仍需深入的研究和討論。而目前多數(shù)性能目標(biāo)的研究大多都基于規(guī)則結(jié)構(gòu)的研究,而對(duì)于不規(guī)則結(jié)構(gòu)形式,比如高層框剪結(jié)構(gòu)、隔震結(jié)構(gòu)等的性態(tài)指標(biāo)尚待進(jìn)一步深入研究。

[1]謝禮立.建筑工程抗震性態(tài)設(shè)計(jì)通則[M].北京:中國(guó)計(jì)劃出版社,2004.

[2]Miranda E.Seismology committee of the structure engineering association of california[C]//Vision 2000 Committee:Performance-based engineering of building.Oakland:Wileylnc,1995.

[3]馬宏旺,呂西林.建筑結(jié)構(gòu)基于性能抗震設(shè)計(jì)的幾個(gè)問(wèn)題[J].同濟(jì)大學(xué)學(xué)報(bào),2002,30(12):1429-1434.

[4]歐進(jìn)萍,何政.鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)基于地震損傷性能的設(shè)計(jì)[J].地震工程與工程振動(dòng),1999,19(1):21-30.

[5]何政,歐進(jìn)萍.鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)基于改進(jìn)能力譜法的地震損傷性能設(shè)計(jì)[J].地震工程與工程振動(dòng),2000,20(2):31-38.

[6]Ghobarah A,Abou-Elfath H,Biddah A.Response based damage assessment of structures[J].Earthquake Engineering and Structural Dynamics,1999,28(1):29-104.

[7]羅文斌,錢(qián)稼茹.鋼筋混凝土框架基于位移的抗震設(shè)計(jì)[J].土木工程學(xué)報(bào),2003,36(5):22-29.

[8]梁興文,黃雅捷,楊其偉.鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)基于位移的抗震設(shè)計(jì)方法研究[J].土木工程學(xué)報(bào),2005,38(9):53-60.

[9]田野,梁興文.鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)直接基于位移的抗震設(shè)計(jì)[J].世界地震工程,2005,21(2):64-69.

[10]Chopra A K,Goel R K.A modal pushover analysisp rocedure for estimating seismic demands for buildings[J].Earthquake Engineering and Structural Dynamics,2002,31(2):561-582.

[11]葉列平.基于性能P位移的能力-需求曲線設(shè)計(jì)方法[J].工程抗震與加固改造,2009,31(3):50-55.

[12]周定松,呂西林.延性需求譜在基于性能的抗震設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[J].地震工程與工程震動(dòng),2004,24(1):30-38.

[13]Fajfar P,Fischinger M.N2-a method for non-linear seismic analysis of regular buildings[J].Proceedings of the Ninth World Conference in Earthquake Engineering,1998,5:111-116.

[14]王東升,王國(guó)新,艾慶華.不規(guī)則鋼筋混凝土梁橋抗震性能評(píng)價(jià)的N2方法[EB/OL].(2004-01-08). http://www.paperedu.cn/paper_d07q5c.

[15]吳波,李藝華.直接基于位移可靠度的抗震設(shè)計(jì)方法中目標(biāo)位移代表值的確定[J].地震工程與工程振動(dòng),2002,(6):44 -51.

(責(zé)任編輯:肖恩忠)

2010-03-22

于蘭蘭(1980-),女,山東海陽(yáng)人,濰坊學(xué)院建筑工程學(xué)院助教。研究方向:建筑結(jié)構(gòu)、建筑概念設(shè)計(jì)。

TU311 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A 文章編號(hào):1671-4288(2010)04-0124-04