基于性能的建筑抗震设计发展＊

于兰兰

(潍坊学院,山东 潍坊 261061)

基于性能的建筑抗震设计发展＊

于兰兰

(潍坊学院,山东 潍坊 261061)

本文以《建筑工程抗震性态设计通则》为纲,从地震设防水准、结构性态目标的确定,以及基于性能的分析方法三个方面对近几年国内性能抗震设计的研究现状进行了综述。

基于性能结构抗震设计;设防水准;性能设计

0 前言

我国现行建筑抗震规范实行的是“小震不坏,中震可修,大震不倒”的三水准的设防要求。通过对汶川地震建筑物破坏情况调查统计表明,凡是按照现行抗震规范设计的建筑物倒塌的情况很少,建筑结构基本上满足了规范规定的“大震不倒”的性态目标。但令人堪忧的是,尽管结构实现“大震不倒”,但由于其使用功能无法修复,导致巨大经济损失。2004年6月,中国工程建设标准化协会正式批准中国工程院院士、中国地震局工程力学所研究员谢礼立主编的《建筑工程抗震性态设计通则》(以下简称“通则”),作为中国第一本具有样板规范性质的建设工程抗震性态设计技术文件(CECS160:2004),在全国试行。《通则》总结了国内外的最新抗震科研成果和工程经验,提出了有关抗震性态/性能设计、设计地震加速度、结构弹塑性地震反应、结构影响系数、结构弹塑性侧移、高频结构竖向地震反应、建筑抗震设计类别等诸多抗震设计新概念和新方法,对我国基于性能的建筑抗震设计将起到积极的推动作用。

1 性能抗震设计的主要内容

1990年代初,美国学者率先提出了基于性态结构抗震设计概念,引起了地震工程界的极大兴趣,被认为是未来结构抗震设计的主要发展方向。基于性能(性态)的结构抗震设计是根据建筑物的重要性、用途或是业主的要求来确定其性能目标,提出不同的抗震设防水准并进行结构设计,最后对设计出的结构作出性能评估,看是否能满足性能目标的要求,其目的是使设计的建筑结构在未来地震中具备预期的功能。美国加州结构工程学会的放眼21世纪委员会提出了基于性能的抗震设计(PBSD)的理论框架,性能抗震设计的主要内容包括地震设防水准的划分,结构抗震性态水平的确定,基于性态的结构抗震设计方法[2]。

2 地震设防水平的划分

对于基于性能抗震设计,为了实现多级设防标准,控制不同水平地震作用下结构的破坏状态,就需要在设防地震划分的基础上,细化地震设防水平,并且直接采用地震动参数(目前还只限于地震加速度)来确定,美国的研究机构普遍将地震设防水准划分为5个水平,文献[3]在总结美国三大研究机构(SEAOC、ATC、FEMA)研究的基础上,给出了基于性能抗震设计的地震设防水平。(见表1)

表1 基于性能抗震设计地震设防水平的划分

我国《通则》在综合国内外研究成果的基础上,结合我国的实际情况,根据抗震建筑重要性类别做了分类。(见表2)

表2 《通则》中对地震设防水准的划分

由表2可知,在《通则》中,对于重要性不同的建筑,发生某一概率水准的地震是采用不同的年限确定相应的设计地震加速度值,也就是说,列为具有较高重要性等级的建筑物考虑发生同一概率水准地震的年限应该取的更长一些,通则用这种方式来体现对建筑不同重要性等级要求的做法,显然比现行抗震规范中简单地增减抗震设防烈度的处理方式更为合理。

3 结构抗震性态水平的确定

结构的抗震性态水平是对设计的建筑物在可能遭受的特定设计地震作用下所规定的最低性态要求或容许的最大破坏。《通则》是根据抗震建筑的使用功能分类,对不同地震震动水平下的结构最低性态目标分为充分运行、运行、基本运行、生命安全、接近倒塌五个性能水准[1]。表3列出了《通则》中考虑的不同使用功能的建筑在三级地震震动水平下的结构需满足的最低抗震性态要求。表3中 TMJ是由建筑重要性类别规定的年限,根据这个年限和给定的超越概率,可确定相应重要性类别的设计地震震动参数。对重要性类别为丙类的建筑,取TMJ=50年;乙类的建筑,取 TMJ=100年;甲类的建筑,取TMJ=200年。

表3 各级地震动水平下的最低抗震性态要求

4 结构的性态指标的量化

反映结构性态水平的性态指标的确定是对结构进行性态设计及评估的关键环节,如何科学合理的确定性态指标至关重要。目前关于结构性能水平的划分还没有形成统一的认识,常见的几种性态指标的研究工作主要集中在基于结构位移的指标、基于结构损伤的指标等。

文献[3]给出了以结构顶点位移划分的性能水准。(见表4)

我国《通则》结合国内外的研究成果,给出了在抗震设防地震下和罕遇地震下,不同使用功能类别结构的层间位移限值,用以控制结构的性态水平。

由于地震损伤是破坏结构使用功能和导致结构倒塌的主要原因,因此基于损伤性能的抗震设计方法一直被国内外学者重视,主要从材料、构件、结构三个层次展开讨论。自从Park和Ang提出了钢筋混凝土构件地震弹塑性变形和累积滞变耗能线性组合的地震损伤模型后,国内外很多学者就致力于有关地震损伤的指标量化的研究工作。文献[4]列出了结构的性能水准与损伤指标之间的对应关系,并对剪切型结构,提出了结构层间柱-压弯构件三线性恢复力模型参数确定和地震损伤计算方法。文献[5]针对弯曲型结构和剪切型结构,在Park-Ang模型的基础上提出了基于能力谱法的地震损伤指标的计算公式。

另一种思路是从结构整体出发,通过结构非线性阶段的刚度退化程度来表达结构整体的损伤程度[6]。结构损伤值可由结构遭受地震前后的刚度之比来表示。结构的刚度损伤模型可用式D=1-K1/K0来表示,式中,D为结构的损伤指数;K0为结构遭受地震前,采用推倒分析所得的基底水平力-顶部位移图中的初始斜率;K1为遭受地震后基底水平力-顶部位移图中的初始斜率。此方法的优点是结构损伤指数D不需要通过构件损伤指标的加权处理来获得,从而避免了加权处理方法中权系数确定的难点,同时结构在不同的加荷状态均可计算损伤值,而无需猜测最大位移或结构临近倒塌时的变形。

文献[4]基于Park-Ang模型,得出钢筋混凝土结构的性态水平与损伤指数之间的定量关系,基本完好的损伤指数为0-0.20,轻微破坏为0.20-0.40,中等破坏为0.40-0.60,严重破坏为0.60-0.90,倒塌为＞0.90。

5 基于性态的结构抗震设计评估方法的研究

实验证明,结构的性态水平与结构的层间位移角具有相关性,层间位移角能够反映钢筋混凝土框架结构层间各构件变形的综合结果和层高的影响。文献[7]建立了RC框架下层架位移与构件变形之间的关系,研究了柱的变形特点和影响因素。目前,以层间位移角为量化指标的性态设计被广泛研究[8-9]。

基于位移法的性能设计的一般思路为在结构自振周期相等的前提下,首先将多自由度体系等效为一单自由度体系来简化计算,求等效单自由度体系的最大位移反应Δd,然后利用位移反应谱确定与最大位移反应Δd相对应的有效周期 Te。利用 Te推导出 Ke后再根据Vb=KeΔd求得等效单自由度体系的基底剪力Vb,再进一步反推导得到多自由度体系各个质点的水平地震作用,以利于结构的抗震设计计算。

基于位移的性能指标一般通过对结构进行非线性静力分析方法(Pushover分析方法)和非线性动力分析方法得到。非线性动力分析方法的优点是能充分反映地震震动三要素(频谱、震幅与持时)的影响,但该法较复杂,工作量较大,在地震波选取、恢复力模型、结构计算模型等方面存在不足,使其在工程中推广应用受限制。而基于Pushover分析的非线性静力分析方法由于具有简单和操作性强的优点而被国内外广泛研究,基于Pushover分析的抗震评估方法主要有能力谱法、等效位移系数法以及N2方法等。

能力谱法的思路是首先假定地震荷载的分布模式,然后单调加载直至结构倒塌或进入不稳定状态,并根据刚度的变化随时调整荷载分布,同时记录结构的顶点位移和底部剪力值。然后再分别除以相应的振型参与系数和有效振动质量,得到谱加速度-谱位移表示的结构能力曲线。再将规范给出的设计反应谱转化成谱加速度-谱位移表示的结构需求谱曲线。二者的交点即为结构在地震中可能达到的最大位移响应(见图1)。然后再将其转化成顶点位移,将等效单自由度体系(SDOF体系)顶点位移转化为多自由度体系(MDOF体系)顶点位移,从而判断出结构的抗震性能。若出现能力谱与需求谱不相交的情况,则说明结构无法抵抗假定的地震作用,设计不合理,须重新选择结构体系。

目前,这种方法已经应用于2000年日本的新规范中。但此方法对短周期结构分析精度尚可,但对长周期结构来说,由于高振型的影响可能会带来较大的误差。鉴于此,Chopra和 Geol借助弹性体系振型分解反应谱方法的思路提出的模态Pushover法就是其中一种较好的改进[10]。这种方法保留了概念的简洁性,侧向力或侧向位移分布保持不变,而且在估算结构地震需求方面具有较好的精度。叶列平充分发挥图表法在确定性态点时直观性的优点,提出了一种“能力-需求曲线”的方法,解决了地震位移需求确定过于复杂和长周期结构可能会产生较大误差的不利问题[11]。另外,文献[12]在模态Push-over法的基础上,通过算例验证了利用延性需求谱求解结构位移需求是一种具有一定精度可为工程接受的简便方法,在基于性能的抗震设计中具有较好的应用前景。

图1 能力谱方法

等效位移系数法的基本思路是结构目标位移通过公式(1)确定。

式中,C0为SDOF体系和MDOF体系顶点位移(谱位移)之间的修正系数,可以为控制点出第一振型参与系数或达到目标位移时变形形状对应的振型矢量计算得到的参与系数;C1为最大非线性位移期望值与线性位移的比例因子,C1一般大于1.0但不超过1.5;C2为滞回环形状对最大位移反应的影响系数,按结构形式和建筑物重要性的不同来取值;C3为P-△效应对位移反应的影响系数对于屈服后的结构,值取1.0;Sa为在实际自振周期和阻尼比的谱反应加速度;T0为实际自振周期。求得目标位移,然后再按照推导出的需求谱来估计相应性态水平的加速度,从而进行结构地震震动输入进行构件设计。

N2方法最早由Fajfar提出[13],思路和能力谱方法类似,即首先通过非线性静力分析将MDOF体系转化成等效的SDOF体系进行分析,得出反映不同性态水平的体系反应,从而进行基于性能的结构抗震设计。在此基础上,文献[14]提出了一种适用于不规则桥梁性态设计的N2方法,将Pushover法与非线性时程分析法结合起来对模型复杂的桥梁结构进行了分析,这同时对较为复杂的建筑结构分析提供了一种可供参考的思路。

6 可靠度概念的引入

性能指标与性能水准是一一对应的,即每一级性能目标都代表一种破坏程度。而实际工程中,由于地震作用的随机性,场地条件、结构选型、构件截面尺寸、材料强度等因素的不确定性,某一性能指标很难百分百地代表结构的性能水准。因此,将性能指标赋予一定的概率意义,更能科学合理地解决问题,即性能指标能够多大程度地代表性能水准的问题。吴波[15]提出了直接基于位移可靠度的抗震设计中层间目标位移代表值的确定方法,从而将可靠度理论与基于性能的抗震设计方法结合起来。

7 结论及展望

随着我国《通则》的试用,基于性能的抗震设计必将得到越来越广泛的研究和应用。基于性能的抗震设计关键问题是性能指标的确定以及基于性能抗震方法的实用性研究。由于不同结构形式、不同材料类别之间的差异,相同水平的地震激励下所表现出来的性能水平有很大差异,量化对应各种结构性态指标的工作仍需深入的研究和讨论。而目前多数性能目标的研究大多都基于规则结构的研究,而对于不规则结构形式,比如高层框剪结构、隔震结构等的性态指标尚待进一步深入研究。

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[5]何政,欧进萍.钢筋混凝土结构基于改进能力谱法的地震损伤性能设计[J].地震工程与工程振动,2000,20(2):31-38.

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[15]吴波,李艺华.直接基于位移可靠度的抗震设计方法中目标位移代表值的确定[J].地震工程与工程振动,2002,(6):44 -51.

(责任编辑:肖恩忠)

2010-03-22

于兰兰(1980-),女,山东海阳人,潍坊学院建筑工程学院助教。研究方向:建筑结构、建筑概念设计。

TU311 文献标识码:A 文章编号:1671-4288(2010)04-0124-04