抗震设计方法的发展

建筑工程学院2013—2014学年第二学期研究生课程读书报告题目：抗震设计方法的发展考核科目：高层建筑结构设计与分析所在院系：建筑工程学院专业：结构工程姓名：刘继龙学号：13072104431目录摘要：........................................................21引言........................................................22基于承载力的抗震设计方法....................................23基于延性的抗震设计方法......................................24基于位移的抗震设计方法......................................34.1按延性系数设计方法.....................................34.2能力谱方法.............................................34.3直接基于位移的方法.....................................45基于性能的抗震设计方法......................................46结论........................................................6参考文献......................................................72抗震设计方法的发展摘要：介绍了抗震设计概念的发展过程，分析了近100年来提出的五种主要抗震设计方法的优缺点，并重点论述了基于性能的抗震设计方法，以促进结构抗震性能的研究，更好地做好结构设计。Abstract：Itintroduecesthedevelopmentofaseismaticdesign,analyzesadvantagesanddisadvantagesoffiveaseismaticdesignmethodsofrecentonehundredyears,putsgreatemphasisonthedesigningmethodbasedonperformanceinordertopromotetheresearchofstructuralanti-quakecapabilityandmakebetterjobofstructuredesign.Keywords:aseismaticdesign,structuralcomponent,ductileindex1引言对应于地震动和结构反应分析研究的发展，人们的抗震设计概念经历了基于承载力—基于延性+承载力—基于性能的过程。这个过程从以结构承载力分析为主，发展到兼顾承载力和结构变形，再到全面分析结构的承载力、变形、损伤和耗能。这些设计方法在实际结构的设计当中常常融合在一起，下面按照他们侧重点的不同分类，虽有偏颇，但能体现出随着科技水平的发展，人们对于结构抗震性能的认识水平和要求的逐步提高。在100多年的发展过程中，大致提出了以下几种主要抗震设计方法。2基于承载力的抗震设计方法20世纪70年代以前的抗震设计采用基于承载力的抗震设计方法，地震分析属于等效静力分析阶段，以结构构件的强度或刚度是否达到特定的极限状态作为结构是否失效的准则。基于承载力的抗震设计方法建立在静力分析理论之上。静力法和早期的反应谱法都是以惯性力的形式来反映地震作用，并按弹性方法来计算结构地震作用效应。该方法的缺点在于无法准确描述结构进入弹塑性阶段的表现，对结构在地震作用下的破坏程度控制不够。3基于延性的抗震设计方法20世纪60年代，人们认识到对于一般的房屋结构、土体结构以及地基等，需要利用结构体系的非线性变形来充分考虑结构物的抗震性能。1973年—1976年，纽马克和霍尔总结当时的经验，提出了用延性概念来概括结构超过弹性结构时的抗震能力。他们认为在抗震设计中除了重视强度和刚度外，还必须重视加强延性；并提出了延性系数将弹性反应谱修改成弹塑性反应谱的方法，并建议用于实际结构的抗震计算。31979年，他们计算了10个地震动作用下的非线性反应谱，从而归纳出确定非线性反应谱原则、方法和数据，以及相应的机构地震反应分析方法。非线性的大小用延性系数maxu=/y来表示max和y分别为所考虑的整体结构或部分结构的最大容许变形和此变形的弹性极限值。强调结构延性对抗震的有利作用，强调结构变形反应，并且把它简化为可以在设计中采用的简单形式。实际上，由于计算结构非弹性地震反应的困难，在结构的抗震设计中，小震情况下按弹性反应谱计算的结果设计构件，然后根据震害经验，采取构造措施来保证结构进入非弹性阶段的变形能力，以适应结构非弹性地震反应的需求。这是目前各国使用的主要方法。4基于位移的抗震设计方法基于位移的抗震设计是指在一定水准的地震作用下，以结构的位移响应为目标设计结构和构件，使结构达到该水准地震作用下的性能要求。基于位移的抗震设计（DBSD）这一概念出现的标志是发表于1992年的文献[1],[2]。作者指出地震中引起结构和非结构损坏的根本原因是过大的位移，因此在设计中应当从基于强度转变为基于位移，以控制接哦股在大震下的位移和层间位移角，使结构的塑性变形能力能够满足地震作用下的位移；同时还评述了用于估算位移的幅值和分布的各种方法，通过与基于强度和基于延性的设计相比较，说明了基于位移的设计不仅有效，而且简单。目前基于位移的设计方法可以分为三类：按延性系数分析的方法、能力普方法和直接基于位移的方法。4.1按延性系数设计方法即通过建立构件的位移延性系数或截面曲率延性系数和塑性铰区混凝土极限压应变的关系，由约束钢筋来保证核心区混凝土能够达到所要求的极限压应变，从而使构件的延性系数符合要求。这种方法在新西兰等国家得到应用并称之为“能力设计”方法。该方法三个关键措施为：用剪力增大系数增大梁端、柱端及梁柱节点等的抗震组合剪力值，即“强剪弱弯”措施；通过相信构造措施保证可能出现塑性铰的部位具有所需要的塑性转动能力和耗能能力，其中“强柱弱梁”措施是“能力设计法”的关键。这个方法的问题在于，用位移延性系数描述构件的弹塑性变形能力时，如何定义结构或构件的屈服位移和极限位移，不同的定义得到的延性系数可能相差很大。另外，延性系数这样的量化指标是在假定屈服机制、全部塑性铰同时出现且铰位置固定的前提下求得，这种情况实际上很难实现。4.2能力谱方法4这种方法的概念最初有freeman等人在1975年提出[1]，后来做了改进。它将静力弹塑性分析得到的力和位移的关系曲线转换为等效单自由度体系加速度—位移关系的能力谱，并按照对结构的延性需求将规范设计反应谱折减后转化为反映加速度—位移关系的需求谱，把能力谱和需求谱放在同一坐标系中相比较，来评价结构的抗震性能。研究表明，对于结构的抗震反应主要由第一振型控制，基本周期在2s以内的结构，能力谱法能够较好地反映出结构在弹塑性阶段的整体与构件变形情况，揭示出结构的屈服机制与内在隐患，从而较真实地反映结构的抗震能力。《日本建筑标准法》和美国ATC—40，FEMA274都推荐使用该方法。近几年对该方法的研究主要集中在原有方法的改进上。钱稼茹等学者对由设计反应谱转换得到的SadS谱中的Sa，dS分别进行不同的折减以考虑长周期的影响[2]；BarlramGupta等学者提出了适应谱法，是能力谱法适应于强度或刚度分布不均匀的结构，并考虑高阶振型的影响[3]；叶献国提出的改进方法中，对等效单自由度体系直接进行动力分析，得到谱位移值而不需要引用规范的设计反应谱。概念和计算简单明了，不存在着地震波选取的问题[4]。能力谱方法的实质是目前采用的基于承载力的设计方法再加上位移、变形的校核。虽然方法本身的可靠性有待试验验证和改进，但它比基于承载力的设计方法更合理。4.3直接基于位移的方法基于位移的设计思想早在1975年前就已提出，最早的研究集中在论述弹塑性体系与相应的弹性体系的位移关系上。该方法思路为：根据抗震规范中给出的层间弹塑性变形角限值和材料的应变损伤限值，确定结构各层的目标位移；将节结构等效为单自由度体系，并计算其等效质量、目标位移及等效阻尼比；由目标位移和阻尼比，利用设计反应谱求出等效单自由度体系的周期；计算等效单自由度体系的等效刚度及基底剪力，转化为原结构的侧向力后进行结构构件设计，再用弹塑性静力或动力分析对设计好的结构进行检验。用这种方法确定目标位移和将多自由度体系等效为单自由度体系的前提是结构中可能形成塑性铰的部位同时达到屈服，这在实际结构中难以实现。5基于性能的抗震设计方法目前，世界各国的抗震规范大多采用二级或多级抗震设计的思想，如我国的“小震不坏、中震可修、大震不倒”。依此设计思想设计的结构在遭遇破环性地震时，允许出现一定的破环，5但主体结构不倒塌，以确保生命安全。这种方法是以生命安全为单一设防目标的抗震设计方法。发生在大城市和经济发达地区的震害实例表明，以传统的抗震设计思想所设计和建造的建筑结构，可以做到在大震时主体结构不倒塌，保障人员安全，但不能保证中小地震时房屋结构，特别是非结构构件不破坏，从而导致这些结构在地震作用下经济损失严重。说明仅以基于生命安全的性能水准建造的房屋已不能满足社会和公众的需求，抗震设计应该能够既经济又可靠的保证建筑结构的功能在地震作用下不致丧失乃至不受影响。基于上述认识，20世纪90年代，美国学者和工程师们提出了基于结构性能的抗震设计方法—PBS（Performance-basedSeismicDesign）。基于性能的抗震设计是指在一定水准的地震作用下，以结构的性能或位移反应为目标设计结构和构件，使结构达到该水准地震作用下的性能或位移要求。由此可见，基于性能的抗震设计的两个主要任务就是如何合理计算结构在给定地震作用下的性能或位移反应和确定实现预定性能的结构变形容许值，使结构在未来地震中的抗震性能达到预期的性能目标。基于性能的抗震设计主要内容包括地震设防水准、建筑物性能水准（PerformanceLevels）、建筑物性能目标（PerformanceObjectives）、结构抗震设计方法等内容。由于基于性能的抗震设计方法是在基于位移的抗震设计基础上提出的，它延续了现行的结构设计体系，强调结构位移形状和非线性静力分析，各种性能目标基本是通过各种位移限值或与之相关的延性要求来实现的，所以，从技术角度看，目前基于性能的设计实际上还是基于位移的设计。基于性能的抗震设计是一种个性化设计。如何实现业主的个性化要求与设计人员的设计之间的对应，是实现基于性能设计的首要任务。由于人们尚未完全掌握地震发生机理及其预测、结构动力特性以及这种特性与结构在地震中受损程度的关系等重要知识，对于上述对应关系的实现来讲，要进行完全的“基于想能的设计”，目前还不具备成熟的技术条件。“基于性能的设计”要求分析的内容多数是结构或者构件在非线性范围内的工作状态，在目前的设计水平来讲，这样会加大设计的难度，增加工作量、延长设计周期、增加设计费用，所以进行非线性分析是大多数设计规范不愿看到的。另外，在新的分析方法成为常规分析之前，要求有完善的应用程序，也要求设计人员学习更多的专业知识。这一切都是“基于性能的设计”遇到的困难。66结论基于性能的抗震设计代表了未来结构抗震设计的方向，采用“投资—效益”准则下的抗震性能水准的划分、抗震性能目标的确定以及常用的性能抗震设计方法，将克服基于承载力的抗震设计不能预估结构屈服后的工作性能的缺陷。为了在不远的将来把现行规范全面过渡到基于性能的建筑抗震设计规范，还必须进行许多的研究工作，如：地震反应位移谱的确定、各性能目标限值的确定以及常用的弹塑性静力分析方法的改进等等。从各国抗震设计规范修订的动向看，基于性能的设计将是21世纪世界抗震设计规范的大潮流，21世纪的地震工程将是基于结构性能的地震工程，尽管探索之路充满艰辛