基于性能的抗震設(shè)計(jì)理論-ush-over分析方法

專題一：基于性能的抗震設(shè)計(jì)理論——Push-over分析方法

西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院建筑工程系劉艷輝副教授2016.3.21教學(xué)計(jì)劃緒論部分第一周緒論專題一：基于性能的抗震設(shè)計(jì)理論第二周基于性能的抗震設(shè)計(jì)理論研究背景介紹第三周抗震設(shè)防水準(zhǔn)與性能水準(zhǔn)第四周Push-over分析方法第五周延性需求譜方法第六周機(jī)動(dòng)時(shí)間1專題二：連續(xù)倒塌設(shè)計(jì)理論第七周連續(xù)倒塌設(shè)計(jì)理論研究背景第八周倒塌判別標(biāo)準(zhǔn)第九周設(shè)計(jì)方法1——構(gòu)造措施方法第十周設(shè)計(jì)方法2——拆除構(gòu)件法第十一周機(jī)動(dòng)時(shí)間2專題三：鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)第十二周鋼-組合結(jié)構(gòu)研究進(jìn)展第十三周混凝土本構(gòu)模型介紹第十四周試驗(yàn)研究第十五周試驗(yàn)影響因素分析第十六周機(jī)動(dòng)時(shí)間3總結(jié)部分第十七周提交論文專題2：連續(xù)倒塌設(shè)計(jì)理論研究進(jìn)展混凝土本構(gòu)模型組合梁試驗(yàn)研究試驗(yàn)影響因素分析及結(jié)論專題3：鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)理論背景抗震設(shè)防水準(zhǔn)性能水準(zhǔn)設(shè)計(jì)方法專題1：基于性能的抗震設(shè)計(jì)理論緒論什么是現(xiàn)代建筑？現(xiàn)代建筑面臨的問(wèn)題本課程的主要內(nèi)容教學(xué)計(jì)劃和考評(píng)關(guān)注重點(diǎn)：研究進(jìn)展、Push-over分析方法、延性需求譜、地震波選波問(wèn)題。關(guān)注重點(diǎn)：研究進(jìn)展，本構(gòu)關(guān)系，試驗(yàn)方法研究的主要步驟及細(xì)節(jié)問(wèn)題理論背景倒塌判別標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)方法一設(shè)計(jì)方法二關(guān)注重點(diǎn)：研究進(jìn)展、倒塌判別標(biāo)準(zhǔn)研究、拆除構(gòu)件法今天講課內(nèi)容Contentintoday'slecture傳統(tǒng)抗震設(shè)計(jì)方法

Traditionalseismicdesignmethod基于性能的抗震設(shè)計(jì)方法

Performance-basedseismicdesignmethod能力譜法

CapacityspectrummethodPush-over分析方法

Push-overanalysis三水準(zhǔn):“大震不倒、中震可修、小震不壞”三水準(zhǔn)兩階段設(shè)計(jì)方法當(dāng)遭受低于本地區(qū)抗震設(shè)防烈度的多遇地震影響時(shí)，一般不受損失或者不需要修理可繼續(xù)使用；當(dāng)遭受相當(dāng)于本地區(qū)抗震設(shè)防烈度的地震影響時(shí)，可能損壞，經(jīng)一般修理或者不需要修理仍然可以繼續(xù)使用；當(dāng)遭受高于本地區(qū)抗震設(shè)防烈度預(yù)計(jì)的罕遇地震影響時(shí)，不至于倒塌或者發(fā)生危及生命的嚴(yán)重破壞。1

傳統(tǒng)抗震設(shè)計(jì)方法震級(jí):是相對(duì)于某一次具體地震而言，是根據(jù)儀器測(cè)試結(jié)果衡量某次地震釋放的能量的來(lái)分級(jí)的，這個(gè)數(shù)據(jù)是唯一的。震級(jí)每相差1.0級(jí)，能量相差大約32倍；每相差2.0級(jí)，能量相差約1000倍。地震烈度:國(guó)家根據(jù)地面破壞程度的觀察和感覺(jué)，人為地劃分了12個(gè)度，即世界上通用的麥?zhǔn)狭叶缺恚∕M），也有八度表和十度表。地震基本烈度:其實(shí)是根據(jù)某地區(qū)地震的歷史等因素綜合考慮給定的，那是一種概率評(píng)估的結(jié)果?；玖叶仁侵冈摰貐^(qū)今后50年時(shí)間內(nèi)，在一般場(chǎng)地條件下可能遭遇到超越概率為10%的地震烈度.抗震設(shè)防烈度:是與建筑物的抗震性能要求有關(guān)的，它根據(jù)各地區(qū)的地震基本烈度、重要性等確定的抗震設(shè)防烈度。第一階段設(shè)計(jì)：首先按基本烈度相應(yīng)的眾值烈度（相當(dāng)于小震，約比基本烈度低1.55度）的地震參數(shù)，用彈性反應(yīng)譜法求得結(jié)構(gòu)在彈性狀態(tài)下的地震作用效應(yīng)，然后與其它荷載效應(yīng)按一定的組合原則進(jìn)行組合，對(duì)構(gòu)件截面進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)或驗(yàn)算，以保證必要的強(qiáng)度；再驗(yàn)算在小震作用下結(jié)構(gòu)的彈性變形。第二階段設(shè)計(jì)：在大震作用下，驗(yàn)算結(jié)構(gòu)薄弱部位的彈塑性變形，對(duì)特別重要的建筑和地震時(shí)易倒塌的結(jié)構(gòu)除進(jìn)行第一階段的設(shè)計(jì)外，還要按第三水準(zhǔn)烈度（大震）的地震動(dòng)參數(shù)進(jìn)行薄弱層（部位）的彈塑性變形驗(yàn)算，并采取相應(yīng)的構(gòu)造措施，以滿足第三水準(zhǔn)的設(shè)防要求（大震不倒）。在設(shè)計(jì)中通過(guò)良好的抗震構(gòu)造措施使第二水準(zhǔn)要求得以實(shí)現(xiàn)，從而達(dá)到“中震可修”的要求地震影響響系數(shù)曲曲線（1）第一階階段設(shè)計(jì)計(jì)第一階段段設(shè)計(jì):彈性反應(yīng)應(yīng)譜法反應(yīng)譜:單自由度度彈性系系統(tǒng)在給定地地震動(dòng)作作用下的的最大反反應(yīng)隨結(jié)構(gòu)自振振周期的變化曲曲線。同同時(shí)是阻尼比的函數(shù)。。單自由度度體系:將結(jié)構(gòu)中中參與振振動(dòng)的質(zhì)質(zhì)量全部部集中在在一點(diǎn)上上，用無(wú)無(wú)重的彈彈性桿件件系統(tǒng)支支撐于地地面上。。并假定定地面運(yùn)運(yùn)動(dòng)和結(jié)結(jié)構(gòu)振動(dòng)動(dòng)只是單單方向的的水平平平移運(yùn)動(dòng)動(dòng)，不發(fā)發(fā)生扭轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)。地基基是剛性性地面（（即不考考慮土-結(jié)構(gòu)相互互作用））地震動(dòng)峰峰值加速速度:地震動(dòng)峰峰值加速速度，與與地震動(dòng)動(dòng)加速度度反應(yīng)譜譜最大值值相應(yīng)的的水平加加速度。。設(shè)計(jì)基本本地震動(dòng)動(dòng)峰值加加速度:即對(duì)應(yīng)基基本烈度度50年超越概概率為10%的動(dòng)峰值值加速度度，抗震震規(guī)范明明確：6度0.05g；7度0.10（0.15）g；8度0.20（0.30）g；9度0.40g。（2）第二階階段設(shè)計(jì)計(jì)為實(shí)現(xiàn)性性能抗震震設(shè)計(jì)思思想，可可以借助助多種方方法，如如傳統(tǒng)的的基于力力的設(shè)計(jì)計(jì)方法、、基于位位移、能能量、損損傷的設(shè)設(shè)計(jì)方法法等。但就目前前的研究究水平而而言，把把性能設(shè)設(shè)計(jì)應(yīng)用用到實(shí)際際設(shè)計(jì)中中主要有有兩種方方法：1．傳統(tǒng)的的基于于力的的抗震震設(shè)計(jì)計(jì)方法法。即首首先進(jìn)進(jìn)行基基于地地震作作用的的強(qiáng)度度計(jì)算算，然然后進(jìn)進(jìn)行變變形驗(yàn)驗(yàn)算。。與目目前設(shè)設(shè)計(jì)方方法主主要不不同的的是，，結(jié)構(gòu)構(gòu)性能能水平平要有有多水水準(zhǔn)明明確的的量化化，在在考慮慮多級(jí)級(jí)地震震作用用下，，進(jìn)行行結(jié)構(gòu)構(gòu)性能能的驗(yàn)驗(yàn)算。。2．基于位位移的的抗震震設(shè)計(jì)計(jì)方法法。即采采用位位移作作為結(jié)結(jié)構(gòu)性性能指指標(biāo)。。直接接以目目標(biāo)位位移作作為設(shè)設(shè)計(jì)變變量。。采用用基于于位移移的抗抗震設(shè)設(shè)計(jì)方方法，，可以以在結(jié)結(jié)構(gòu)設(shè)設(shè)計(jì)初初始就就明確確結(jié)構(gòu)構(gòu)的性性能設(shè)設(shè)計(jì)水水平，，并且且使設(shè)設(shè)計(jì)的的結(jié)構(gòu)構(gòu)性能能正好好達(dá)到到目標(biāo)標(biāo)性能能水平平，而而不是是傳統(tǒng)統(tǒng)設(shè)計(jì)計(jì)時(shí)給給出一一個(gè)限限值。。2基于性性能的的抗震震設(shè)計(jì)計(jì)方法法基于位位移的的抗震震設(shè)計(jì)計(jì)方法法延性系系數(shù)法法：通過(guò)建建立構(gòu)構(gòu)件的的位移移延性性系數(shù)數(shù)或截截面曲曲率延延性系系數(shù)與與塑性性鉸區(qū)區(qū)混凝凝土極極限壓壓應(yīng)變變的關(guān)關(guān)系，，由約約束箍箍筋來(lái)來(lái)保證證核心心混凝凝土能能夠達(dá)達(dá)到所所要求求的極極限壓壓應(yīng)變變，從從而使使構(gòu)件件具有有要求求的延延性系系數(shù)能力譜譜法：：將地震震需求求譜曲曲線和和結(jié)構(gòu)構(gòu)能力力譜曲曲線繪繪在同同一圖圖中，，求得得兩個(gè)個(gè)曲線線相交交點(diǎn)的的位移移，或或采用用圖示示的方方法直直觀地地評(píng)估估結(jié)構(gòu)構(gòu)在給給定地地震作作用下下的性性能，，它的的關(guān)鍵鍵就是是地震震需求求譜曲曲線的的研究究和能能力譜譜曲線線的確確定。。直接基基于位位移的的設(shè)計(jì)計(jì)方法法：把位移移作為為基本本設(shè)計(jì)計(jì)變量量，在在設(shè)計(jì)計(jì)的整整個(gè)過(guò)過(guò)程中中，位位移始始終處處于控控制地地位，，針對(duì)對(duì)不同同的功功能目目標(biāo)，，位移移向量量可以以方便便地進(jìn)進(jìn)行調(diào)調(diào)整，，進(jìn)而而對(duì)整整個(gè)設(shè)設(shè)計(jì)過(guò)過(guò)程做做出調(diào)調(diào)整，，從而而設(shè)計(jì)計(jì)出滿滿足不不同功功能的的結(jié)構(gòu)構(gòu)。能力譜譜其最最初概概念是是由Freeman等人在在1975年為美美國(guó)海海軍抗抗震工工程項(xiàng)項(xiàng)目做做簡(jiǎn)化化評(píng)估估時(shí)提提出的的,后來(lái)經(jīng)經(jīng)過(guò)不不斷改改進(jìn)。。后應(yīng)應(yīng)用于于ATC-40,FEMA-273中。它是通通過(guò)圖圖形方方法,把結(jié)構(gòu)構(gòu)的能能力與與地震震地面面運(yùn)動(dòng)動(dòng)對(duì)結(jié)結(jié)構(gòu)的的要求求進(jìn)行行比較較3能力譜譜法三個(gè)概概念：能力譜：是指通過(guò)過(guò)彈塑塑性靜靜力分分析方方法得得到的的結(jié)構(gòu)特特征點(diǎn)點(diǎn)位移與與基底底剪力力之間間的關(guān)關(guān)系，，并通通過(guò)等效SDOF體系公公式將其轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)化為為加速速度——位移的的關(guān)系系曲線；；地震需需求譜譜（DemandSpectrum）實(shí)質(zhì)上上是地地震反反應(yīng)譜譜曲線線或者者輸入入地震震動(dòng)記記錄的的某一一彈塑塑性反反應(yīng)譜譜曲線線。一一般情情況下下，通通過(guò)將將需求求譜和和能力力譜相相疊加加在譜位移-譜加速度坐坐標(biāo)體系中來(lái)評(píng)估結(jié)結(jié)構(gòu)在地震震作用下的的結(jié)構(gòu)的反反應(yīng)特征。性能點(diǎn)：如果兩曲線不相相交，說(shuō)明明結(jié)構(gòu)未達(dá)達(dá)到設(shè)計(jì)地地震的性能能要求（即即發(fā)生破壞壞或倒塌）），無(wú)法抵抵御預(yù)計(jì)的的地震，如如果兩譜線線相交，則則說(shuō)明結(jié)構(gòu)構(gòu)的抗震性性能能夠滿滿足抗震的的需要，相相交點(diǎn)被定定義為結(jié)構(gòu)構(gòu)抗震性能能點(diǎn)（PerformancePoint），從而可可根據(jù)該點(diǎn)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的結(jié)結(jié)構(gòu)基底剪剪力、頂點(diǎn)點(diǎn)位移等。能力譜的基基本計(jì)算步步驟:(1)按規(guī)范進(jìn)行行結(jié)構(gòu)承載載力設(shè)計(jì);(2)用靜力彈塑塑性分析方方法(Push-over)計(jì)算結(jié)構(gòu)基基底剪力-頂點(diǎn)位移vb-un的曲線;(3)建立能力譜譜曲線,用等效單自由由度體系代代替原結(jié)構(gòu)構(gòu),因此可將vb-un曲線轉(zhuǎn)換為為譜加速度度Sa-譜位移Sd曲線,即能力譜曲曲線;(4)建立非彈性性需求譜曲曲線,可將需求譜譜曲線轉(zhuǎn)化化成Sa-Sd譜曲線;(5)確定結(jié)構(gòu)的的等效延性性系數(shù),將能力譜曲曲線和需求求譜曲線畫(huà)畫(huà)在同一坐坐標(biāo)系中,檢驗(yàn)結(jié)構(gòu)的的抗震能力力,如圖2所示。兩曲曲線的交點(diǎn)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的位位移即為等等效單自由由度體系的的譜位移。。將譜位移轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)化成原結(jié)結(jié)構(gòu)的頂點(diǎn)點(diǎn)位移,根據(jù)曲線即即可確定結(jié)結(jié)構(gòu)的塑性性鉸分布,然后修改設(shè)設(shè)計(jì)方案或或加固原結(jié)結(jié)構(gòu)。4Push-over方法彈塑性靜力力分析方法法（也稱Push-over方法），是是在一組能能夠近似反反應(yīng)結(jié)構(gòu)的的動(dòng)力特性性、單調(diào)遞遞增的側(cè)向向荷載作用用下，進(jìn)行行逐步彈塑塑性靜力分分析，直到到結(jié)構(gòu)達(dá)到到預(yù)先確定定的目標(biāo)位位移或倒塌塌狀態(tài)，以以得到結(jié)構(gòu)位位移與剪力力的關(guān)系曲線線。彈塑性靜力力分析方法法的分析結(jié)結(jié)果在很大大程度上依依賴于水平平荷載的分分布模式，，因此，水平荷載分分布模式的的合理確定定，成為這這一方法最最為重要的的研究?jī)?nèi)容容。目前，荷荷載分布模模式的研究究主要分為為兩種：基基于力的加加載模式和和基于位移移的加載模模式。AnilKChopra,RakishKGoel.CapacityDemandDiagramMethodforEstimatingSeismicDeformationofInelasticStructures:SDOFSystem.UniversityofCalifornia,Be