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方面對近幾年國內(nèi)性能抗震設(shè)計的研究現(xiàn)狀進(jìn)行了綜述。

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

0 前言

我國現(xiàn)行建筑抗震規(guī)范實行的是“小震不壞,中震可修,大震不倒”的三水準(zhǔn)的設(shè)防要求。通過對汶川地震建筑物破壞情況調(diào)查統(tǒng)計表明,凡是按照現(xiàn)行抗震規(guī)范設(shè)計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)實現(xiàn)“大震不倒”,但由于其使用功能無法修復(fù),導(dǎo)致巨大經(jīng)濟(jì)損失。2004年6月,中國工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會正式批準(zhǔn)中國工程院院士、中國地震局工程力學(xué)所研究員謝禮立主編的《建筑工程抗震性態(tài)設(shè)計通則》(以下簡稱“通則”),作為中國第一本具有樣板規(guī)范性質(zhì)的建設(shè)工程抗震性態(tài)設(shè)計技術(shù)文件(CECS160:2004),在全國試行。《通則》總結(jié)了國內(nèi)外的最新抗震科研成果和工程經(jīng)驗,提出了有關(guān)抗震性態(tài)/性能設(shè)計、設(shè)計地震加速度、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)計類別等諸多抗震設(shè)計新概念和新方法,對我國基于性能的建筑抗震設(shè)計將起到積極的推動作用。

1 性能抗震設(shè)計的主要內(nèi)容

1990年代初,美國學(xué)者率先提出了基于性態(tài)結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計概念,引起了地震工程界的極大興趣,被認(rèn)為是未來結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計的主要發(fā)展方向?；谛阅?性態(tài))的結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計是根據(jù)建筑物的重要性、用途或是業(yè)主的要求來確定其性能目標(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,最后對設(shè)計出的結(jié)構(gòu)作出性能評估,看是否能滿足性能目標(biāo)的要求,其目的是使設(shè)計的建筑結(jié)構(gòu)在未來地震中具備預(yù)期的功能。美國加州結(jié)構(gòu)工程學(xué)會的放眼21世紀(jì)委員會提出了基于性能的抗震設(shè)計(PBSD)的理論框架,性能抗震設(shè)計的主要內(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)計方法[2]。

2 地震設(shè)防水平的劃分

對于基于性能抗震設(shè)計,為了實現(xiàn)多級設(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參數(shù)(目前還只限于地震加速度)來確定,美國的研究機(jī)構(gòu)普遍將地震設(shè)防水準(zhǔn)劃分為5個水平,文獻(xiàn)[3]在總結(jié)美國三大研究機(jī)構(gòu)(SEAOC、ATC、FEMA)研究的基礎(chǔ)上,給出了基于性能抗震設(shè)計的地震設(shè)防水平。(見表1)

表1 基于性能抗震設(shè)計地震設(shè)防水平的劃分

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

表2 《通則》中對地震設(shè)防水準(zhǔn)的劃分

由表2可知,在《通則》中,對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)計地震加速度值,也就是說,列為具有較高重要性等級的建筑物考慮發(fā)生同一概率水準(zhǔn)地震的年限應(yīng)該取的更長一些,通則用這種方式來體現(xiàn)對建筑不同重要性等級要求的做法,顯然比現(xiàn)行抗震規(guī)范中簡單地增減抗震設(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)水平是對設(shè)計的建筑物在可能遭受的特定設(shè)計地震作用下所規(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,對不同地震震動水平下的結(jié)構(gòu)最低性態(tài)目標(biāo)分為充分運行、運行、基本運行、生命安全、接近倒塌五個性能水準(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地震震動水平下的結(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)計地震震動參數(shù)。對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 各級地震動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)的確定是對結(jié)構(gòu)進(jìn)行性態(tài)設(shè)計及評估的關(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有形成統(tǒng)一的認(rèn)識,常見的幾種性態(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)頂點位移劃分的性能水準(zhǔn)。(見表4)

我國《通則》結(jié)合國內(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)計方法一直被國內(nèi)外學(xué)者重視,主要從材料、構(gòu)件、結(jié)構(gòu)三個層次展開討論。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)之間的對應(yīng)關(guān)系,并對剪切型結(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)確定和地震損傷計算方法。文獻(xiàn)[5]針對彎曲型結(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)的計算公式。

另一種思路是從結(jié)構(gòu)整體出發(fā),通過結(jié)構(gòu)非線性階段的剛度退化程度來表達(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表示。結(jié)構(gòu)的剛度損傷模型可用式D=1-K1/K0來表示,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)點是結(jié)構(gòu)損傷指數(shù)D不需要通過構(gòu)件損傷指標(biāo)的加權(quán)處理來獲得,從而避免了加權(quán)處理方法中權(quán)系數(shù)確定的難點,同時結(jié)構(gòu)在不同的加荷狀態(tài)均可計算損傷值,而無需猜測最大位移或結(jié)構(gòu)臨近倒塌時的變形。

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)計評估方法的研究

實驗證明,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)計被廣泛研究[8-9]。

基于位移法的性能設(shè)計的一般思路為在結(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簡化計算,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質(zhì)點的水平地震作用,以利于結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計計算。

基于位移的性能指標(biāo)一般通過對結(jié)構(gòu)進(jìn)行非線性靜力分析方法(Pushover分析方法)和非線性動力分析方法得到。非線性動力分析方法的優(yōu)點是能充分反映地震震動三要素(頻譜、震幅與持時)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單和操作性強(qiáng)的優(yōu)點而被國內(nèi)外廣泛研究,基于Pushover分析的抗震評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)剛度的變化隨時調(diào)整荷載分布,同時記錄結(jié)構(gòu)的頂點位移和底部剪力值。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。二者的交點即為結(jié)構(gòu)在地震中可能達(dá)到的最大位移響應(yīng)(見圖1)。然后再將其轉(zhuǎn)化成頂點位移,將等效單自由度體系(SDOF體系)頂點位移轉(zhuǎn)化為多自由度體系(MDOF體系)頂點位移,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,則說明結(jié)構(gòu)無法抵抗假定的地震作用,設(shè)計不合理,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。但此方法對短周期結(jié)構(gòu)分析精度尚可,但對長周期結(jié)構(gòu)來說,由于高振型的影響可能會帶來較大的誤差。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)點時直觀性的優(yōu)點,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于復(fù)雜和長周期結(jié)構(gòu)可能會產(chǎn)生較大誤差的不利問題[11]。另外,文獻(xiàn)[12]在模態(tài)Push-over法的基礎(chǔ)上,通過算例驗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便方法,在基于性能的抗震設(shè)計中具有較好的應(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)位移通過公式(1)確定。

式中,C0為SDOF體系和MDOF體系頂點位移(譜位移)之間的修正系數(shù),可以為控制點出第一振型參與系數(shù)或達(dá)到目標(biāo)位移時變形形狀對應(yīng)的振型矢量計算得到的參與系數(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1.5;C2為滯回環(huán)形狀對最大位移反應(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取值;C3為P-△效應(yīng)對位移反應(yīng)的影響系數(shù)對于屈服后的結(jié)構(gòu),值取1.0;Sa為在實際自振周期和阻尼比的譜反應(yīng)加速度;T0為實際自振周期。求得目標(biāo)位移,然后再按照推導(dǎo)出的需求譜來估計相應(yīng)性態(tài)水平的加速度,從而進(jìn)行結(jié)構(gòu)地震震動輸入進(jìn)行構(gòu)件設(shè)計。

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。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)計的N2方法,將Pushover法與非線性時程分析法結(jié)合起來對模型復(fù)雜的橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析,這同時對較為復(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)是一一對應(yīng)的,即每一級性能目標(biāo)都代表一種破壞程度。而實際工程中,由于地震作用的隨機(jī)性,場地條件、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)合理地解決問題,即性能指標(biāo)能夠多大程度地代表性能水準(zhǔn)的問題。吳波[15]提出了直接基于位移可靠度的抗震設(shè)計中層間目標(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)計方法結(jié)合起來。

7 結(jié)論及展望

隨著我國《通則》的試用,基于性能的抗震設(shè)計必將得到越來越廣泛的研究和應(yīng)用?；谛阅艿目拐鹪O(shè)計關(guān)鍵問題是性能指標(biāo)的確定以及基于性能抗震方法的實用性研究。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下所表現(xiàn)出來的性能水平有很大差異,量化對應(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。

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(責(zé)任編輯:肖恩忠)

2010-03-22

于蘭蘭(1980-),女,山東海陽人,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。

TU311 文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A 文章編號:1671-4288(2010)04-0124-04