基于性能的抗震設(shè)計

基于性能的抗震設(shè)計

0性能與結(jié)構(gòu)的耦合抗災(zāi)設(shè)計的基本目標(biāo)是確保安全。然而，在過去的10年里，發(fā)生的地震表明，基于以安全為基本目標(biāo)的抗洪設(shè)計理論設(shè)計建造的建筑物在地震中沒有倒塌，這基本保證了安全，但造成的經(jīng)濟損失極其巨大，表明單一的安全目標(biāo)遠遠不夠。因此,20世紀(jì)90年代初美國學(xué)者首先提出了基于性能(performance-based)的抗震設(shè)計理論,這是工程抗震發(fā)展史上的一個重要里程碑,代表了抗震設(shè)計的發(fā)展方向,其特點包括:使抗震設(shè)計從宏觀定性的目標(biāo)向具體量化的多重目標(biāo)過渡,業(yè)主和設(shè)計者可選擇所需的性能目標(biāo);抗震設(shè)計中更強調(diào)實施性能目標(biāo)的深入分析和論證,更有利于建筑結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新,經(jīng)過論證(包括試驗)可以采用非現(xiàn)行規(guī)范規(guī)定的新的結(jié)構(gòu)體系、新技術(shù)、新材料;有利于針對不同抗震設(shè)防要求、場地條件以及建筑的重要性,采用不同的性能目標(biāo)和抗震措施。“投資-效益”準(zhǔn)則和建筑結(jié)構(gòu)目標(biāo)性能的“個性化”是基于性能的抗震設(shè)計的重要思想。大跨度空間結(jié)構(gòu)是近30年發(fā)展最快的一種結(jié)構(gòu)形式,被廣泛用于體育場館、車站及航站樓等交通樞紐和會展中心等大型公共建筑中,目前,大跨度空間結(jié)構(gòu)工程已經(jīng)在我國形成持續(xù)的建設(shè)高潮。大跨度空間結(jié)構(gòu)建設(shè)費用和震后修復(fù)費用相對較高,結(jié)構(gòu)整個服役期的經(jīng)濟指標(biāo)成為設(shè)計的一個關(guān)鍵因素;作為公共建筑,大跨度空間結(jié)構(gòu)往往成為地震發(fā)生時的避難場所,其社會功能也尤為重要。因此,以經(jīng)濟學(xué)、社會學(xué)和工程學(xué)為理論基礎(chǔ)的基于性能抗震設(shè)計思想對于大跨度空間結(jié)構(gòu)具有良好的適用性。然而,由于空間結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)分析和破壞倒塌機理復(fù)雜,結(jié)構(gòu)性能難以掌握,目前基于性能的空間結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計還處于初步的理論探索階段,遠未形成具體有效的設(shè)計方法。本文以基于性能的結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計研究內(nèi)容及發(fā)展趨勢為背景,結(jié)合空間結(jié)構(gòu)自身特點,對基于性能的空間結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀進行了總結(jié)分析,并提出了今后要解決的關(guān)鍵問題。1結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計方法基于性能的抗震設(shè)計研究主要包含以下四部分內(nèi)容:地震危險性分析、結(jié)構(gòu)反應(yīng)性能參數(shù)確定、結(jié)構(gòu)抗震性能水平劃分及性能目標(biāo)確定、基于性能的抗震設(shè)計方法。1.1地震動參數(shù)選取地震危險性分析是聯(lián)系地震學(xué)和地震工程學(xué)的重要紐帶,作為基于性能的抗震設(shè)計研究內(nèi)容的首要部分,其研究成果對于基于性能的抗震設(shè)計研究進展有重要影響。地震危險性分析主要有兩種方法:即確定性地震危險性分析方法和概率地震危險性分析方法。確定性分析方法是地震危險性分析早期發(fā)展階段的主要方法,該方法認(rèn)為地震動參數(shù)是確定性的數(shù)值,包含的主觀判斷因素較多。概率地震危險性分析方法由Cornell于1968年提出,此后該方法得以廣泛研究和應(yīng)用,其分析成果可以用地震動危險性曲線表示,該曲線是指工程場地未來遭受的地震動參數(shù)在一定時期內(nèi)的超越概率與地震動參數(shù)的函數(shù)關(guān)系曲線,常用的地震動參數(shù)有地震烈度、峰值地面運動加速度PGA(peakgroundacceleration)、速度和反應(yīng)譜。文獻介紹了概率地震危險性分析方法的初期發(fā)展歷史,文獻對地震危險性分析方法進行了總結(jié)回顧。對于不同結(jié)構(gòu)形式,不同地震動參數(shù)在估計結(jié)構(gòu)反應(yīng)時存在較大差異,因此選取合適的地震動參數(shù)是地震危險性分析的關(guān)鍵問題之一,其選取原則為估計結(jié)構(gòu)反應(yīng)時的有效性和充分性。有效性可以用某個地震動參數(shù)下結(jié)構(gòu)反應(yīng)參數(shù)的離散程度來評價,地震動參數(shù)的有效性越高,在估計結(jié)構(gòu)的反應(yīng)時便可以用相對較少的結(jié)構(gòu)計算分析次數(shù)得到較大置信度的結(jié)果;充分性則可以用其它地震動參數(shù)對結(jié)構(gòu)反應(yīng)離散程度的影響大小來評價,某個地震動參數(shù)的充分性越好,則該地震動參數(shù)以外的其它參數(shù)對結(jié)構(gòu)反應(yīng)離散程度的影響越小。在估計結(jié)構(gòu)反應(yīng)方面,完全有效且充分的地震動參數(shù)是不存在的,但確定相對有效和充分的地震動參數(shù)是完全可行的。已有研究結(jié)果表明,對于一階振型主導(dǎo)的結(jié)構(gòu),結(jié)構(gòu)一階周期處的譜加速度Sa(T1)在估計結(jié)構(gòu)反應(yīng)方面比其它參數(shù)更加有效且充分。但對于非一階振型主導(dǎo),且頻譜分布密集、各振型耦合作用明顯的空間結(jié)構(gòu)來說,Sa(T1)可能不如其它地震動參數(shù)(例如PGA)有效、充分。到目前為止,對于空間結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)分析,PGA是應(yīng)用最為廣泛的地震動參數(shù),但是否存在更加有效、充分的地震動參數(shù)值得進一步研究。Taniguchi等指出在估計雙層柱面網(wǎng)殼的倒塌時地震輸入能量比PGA更加有效;另外,由多個地震動參數(shù)組成的向量式參數(shù)應(yīng)更適合空間結(jié)構(gòu),Cornell課題組對向量式地震動參數(shù)在普通多高層鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用進行了大量研究[15,23,24,25,26,27,28],結(jié)果表明向量式地震動參數(shù)在估計地震反應(yīng)時更為準(zhǔn)確,且有效性大為提高,但向量式地震動參數(shù)在空間結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用還未見報道。1.2基于時程分析方法的非線性分析在基于性能抗震設(shè)計中,為求得在不同強度地震作用下結(jié)構(gòu)的反應(yīng)性能指標(biāo)(變形或者其它破壞指標(biāo)),需要采用合理的結(jié)構(gòu)模型、恰當(dāng)?shù)姆治龇椒ㄟM行結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)分析。由于基于性能的抗震設(shè)計應(yīng)考慮不同強度地震作用下結(jié)構(gòu)的性能,故不僅需要對結(jié)構(gòu)進行小震作用下的彈性分析,更重要的是對結(jié)構(gòu)進行在強震作用下從開始屈服直至倒塌的全過程非線性受力分析。大跨度空間結(jié)構(gòu)的彈性地震反應(yīng)分析方法已經(jīng)比較成熟。作為大跨度空間結(jié)構(gòu)的核心問題和前沿研究熱點,其強震災(zāi)變機理的研究已經(jīng)取得了一定進展。大跨度空間結(jié)構(gòu)抗震分析方法主要有振型分解法、隨機振動法、時程分析法以及Pushover等簡化分析方法。在強震作用下,需要對結(jié)構(gòu)進行考慮材料和幾何雙重非線性的受力分析,時程分析法是目前比較成熟且廣泛應(yīng)用的方法?；跁r程分析法,國內(nèi)外學(xué)者利用基于反應(yīng)的分析方法對空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的強震全過程進行了大量的分析研究[19,20,21,31,32,33,34,35,36,37],該方法通過特征反應(yīng)(例如最大節(jié)點位移等)的荷載域全程曲線來了解結(jié)構(gòu)的動力性狀隨動力荷載幅值逐漸增大而不斷變化直至倒塌的全過程。已有研究結(jié)果表明[19,20,21,31,32,33,34,36,37],單層和雙層網(wǎng)格結(jié)構(gòu)隨著動力荷載幅值(PGA)的不斷增大,網(wǎng)格結(jié)構(gòu)最后都會發(fā)生倒塌破壞,其中單層網(wǎng)殼的破壞形式分為動力失穩(wěn)和強度破壞兩種類型。在現(xiàn)有研究的基礎(chǔ)上,沈世釗對于單層網(wǎng)殼的動力失穩(wěn)和強度破壞的倒塌機理以及每種破壞形式的判別準(zhǔn)則進行了總結(jié)分析,并對兩種失效形式進行了區(qū)分判別。盡管目前可以通過非線性時程分析得到結(jié)構(gòu)在某條特定地震波下的反應(yīng),但在基于性能的抗震設(shè)計中,合理有效地考慮地震動以及結(jié)構(gòu)非線性反應(yīng)的不確定性是關(guān)鍵問題之一,因此,國內(nèi)外許多學(xué)者提出,正確合理的途徑應(yīng)從概率角度出發(fā),以考慮上述不確定性。其中,由Vamvatsikos等提出的增量動力分析(incrementaldynamicanalysis,簡稱IDA)方法是最具發(fā)展前景的方法之一,該方法的本質(zhì)是將單一地震波的時程分析擴展為多條地震波的時程分析,得到多條地震波下的結(jié)構(gòu)反應(yīng),進而從概率角度研究結(jié)構(gòu)的反應(yīng)性能參數(shù)并評估結(jié)構(gòu)的抗震性能。在空間結(jié)構(gòu)應(yīng)用方面,文獻利用IDA方法對某單層球面網(wǎng)殼的倒塌性能進行了評估,計算了該網(wǎng)殼在任意PGA下的倒塌概率,然后結(jié)合地震危險性曲線,得到了該網(wǎng)殼的年平均倒塌概率;Kato等對某門式鋼架體育館和包含下部支撐的某單層球面網(wǎng)殼進行了多條地震波下的非線性時程分析,分別研究了上下部結(jié)構(gòu)、結(jié)構(gòu)和非結(jié)構(gòu)構(gòu)件的易損性,從概率角度評估了結(jié)構(gòu)的抗震性能,其本質(zhì)上也是IDA方法。可見,國內(nèi)外學(xué)者在單層網(wǎng)殼強震作用下的反應(yīng)分析和破壞倒塌機理研究方面取得了一定的成果,大部分為確定性分析,也有少量的從概率角度的初步探索,對于其它形式空間結(jié)構(gòu)的強震災(zāi)變行為研究還比較少。1.3性能目標(biāo)的確定作為基于性能抗震設(shè)計的核心概念之一,性能水平是指建筑物整體的破壞狀態(tài),性能目標(biāo)是指在一定超越概率的地震發(fā)生時,結(jié)構(gòu)的最大破壞程度。結(jié)構(gòu)性能水平可以由結(jié)構(gòu)的反應(yīng)參數(shù)或者某些自定義的破壞指標(biāo)來劃分;在基于性能的結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計中,確定適合的性能目標(biāo)是結(jié)構(gòu)設(shè)計的基礎(chǔ)與核心內(nèi)容之一。對于多高層建筑結(jié)構(gòu),變形可以有效地反映結(jié)構(gòu)破壞情況,因此基于位移來劃分結(jié)構(gòu)性能水平進而確定性能目標(biāo)的方法在多高層結(jié)構(gòu)中得到了廣泛應(yīng)用。而對于結(jié)構(gòu)形態(tài)復(fù)雜多樣、空間工作效應(yīng)明顯、地震破壞機理復(fù)雜的空間結(jié)構(gòu),結(jié)構(gòu)抗震性能水平的劃分及性能目標(biāo)的確定要比多高層結(jié)構(gòu)復(fù)雜得多?？紤]空間結(jié)構(gòu)本身的特性,僅僅基于位移劃分空間結(jié)構(gòu)性能水平、確定性能目標(biāo)顯然不合理,還需要考慮其它反應(yīng)參數(shù)(例如能量、桿件塑性發(fā)展程度等)的影響,因此,一些學(xué)者試圖以自定義綜合式標(biāo)量指標(biāo)或向量式指標(biāo)來劃分空間結(jié)構(gòu)的性能水平:在自定義綜合式標(biāo)量指標(biāo)方面,支旭東等對于單層柱面和球面網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)在強震作用下的反應(yīng)進行了分析,提出了一個自定義綜合式標(biāo)量指標(biāo),即結(jié)構(gòu)損傷因子來評估單層網(wǎng)殼的損傷程度,并將該指標(biāo)表達為結(jié)構(gòu)平均塑性應(yīng)變、最大節(jié)點位移、桿件塑性程度等自變量的函數(shù);為了有效評估鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的破壞狀態(tài),Park等提出了一個變形和能量線性組合的自定義綜合式標(biāo)量指標(biāo),以反應(yīng)極值變形和累積變形能對結(jié)構(gòu)破壞狀態(tài)的影響,杜文風(fēng)利用該指標(biāo)劃分單層球面網(wǎng)殼的性能水平,并指出對初始配置均勻的單層球面網(wǎng)殼,該指標(biāo)同最大位移反應(yīng)、塑性桿件比例的劃分效果具有較好的一致性;在向量式指標(biāo)方面,Kato和Nakazawa對于包含上部單層球面網(wǎng)殼和下部支撐在內(nèi)的某整體結(jié)構(gòu)進行了地震反應(yīng)分析,以結(jié)構(gòu)最大位移和最大加速度為具體性能量化參數(shù),分別界定了上部網(wǎng)殼中的結(jié)構(gòu)構(gòu)件和非結(jié)構(gòu)構(gòu)件(屋面板)在地震作用下的性能水平,以柱間防屈曲支撐的累積塑性變形和最大層位移角為參數(shù)分別劃分了下部結(jié)構(gòu)中的結(jié)構(gòu)構(gòu)件和非結(jié)構(gòu)構(gòu)件的性能水平,并以此為基礎(chǔ)進一步假定對應(yīng)于不同性能水平的功能損失比例,對整體結(jié)構(gòu)進行了地震損失評估,并且特別指出,性能水平的劃分準(zhǔn)則是事先假定的,對此有必要進行深入研究以得出更為合理的劃分準(zhǔn)則。在空間結(jié)構(gòu)抗震性能水平的劃分方面目前已經(jīng)有一定的初步探索,但目前研究僅僅局限在單層網(wǎng)殼一種結(jié)構(gòu)形式。對于所有類型的建筑結(jié)構(gòu),性能目標(biāo)確定應(yīng)依據(jù)建筑物在各種水平地震作用下社會和業(yè)主的安全、經(jīng)濟、文化及歷史等因素的需求而定。性能目標(biāo)應(yīng)該是具體的、量化的,確保設(shè)計能夠達到預(yù)定水平。目前在各國基于性能抗震設(shè)計相關(guān)的規(guī)程或通則中,一般根據(jù)設(shè)防地震水平和建筑物的重要性等級來確定其最低性能目標(biāo),例如美國加州工程師協(xié)會SEAOC制定的Vision2000和我國的CECS160—2004《建筑工程抗震性態(tài)設(shè)計通則(試用)》,但其中對性能目標(biāo)僅有定性描述,并無定量指標(biāo)。Tatemichi等研究指出,由于空間結(jié)構(gòu)形態(tài)各異、力學(xué)特點差異很大,應(yīng)該結(jié)合相關(guān)技術(shù)規(guī)程、報告以及震害調(diào)查數(shù)據(jù)對每個空間結(jié)構(gòu)分別確定其性能目標(biāo)的具體量化數(shù)值。1.4結(jié)構(gòu)體系能耗設(shè)計的優(yōu)化方法目前,基于性能的抗震設(shè)計還遠沒有形成一致的設(shè)計方法,基于性能的抗震設(shè)計方法主要有基于位移的設(shè)計法、能量設(shè)計法及綜合設(shè)計法[50,51,52,53,54,55,56]等?；谖灰频目拐鹪O(shè)計法以結(jié)構(gòu)位移作為結(jié)構(gòu)性能指標(biāo),由于空間結(jié)構(gòu)的性能水平不適合由單一的位移指標(biāo)來界定,因此目前的基于位移的設(shè)計法并不適合于空間結(jié)構(gòu)。能量設(shè)計法是通過控制結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的耗能能力,達到控制整個結(jié)構(gòu)抗震性能的目的。其優(yōu)點在于能夠直接估計結(jié)構(gòu)的潛在破壞程度,對結(jié)構(gòu)的滯回特性及結(jié)構(gòu)非線性要求概念清楚。但是,由于結(jié)構(gòu)體系的復(fù)雜性,結(jié)構(gòu)滯回耗能的計算很大程度上依賴于構(gòu)件單元恢復(fù)力模型的選取,計算比較繁瑣,且具有一定的誤差,若將能量設(shè)計法應(yīng)用于基于性能的空間結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計,需要在材料本構(gòu)精細(xì)化建模等方面加大研究力度以提高空間結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)分析的精度,進而使結(jié)構(gòu)耗能的計算更加精確。綜合設(shè)計法本質(zhì)上是優(yōu)化設(shè)計方法,其基本原理是基于“投資-效益”準(zhǔn)則,在滿足既定性能目標(biāo)的前提下,使結(jié)構(gòu)壽命周期總費用最小,結(jié)構(gòu)壽命周期總費用一般可表述為:Ctot=Cb+Cm+∑PfCf(1)式中:Cb、Cm、Cf分別為結(jié)構(gòu)初始造價、維護和拆除的預(yù)期費用、失效費用;Pf為壽命周期的失效概率。綜合設(shè)計法全面考慮了抗震設(shè)計中的重要因素,最大程度地體現(xiàn)了基于性能的抗震設(shè)計思想,因而能提供最優(yōu)的設(shè)計方案,可靠地實現(xiàn)性能目標(biāo)。缺點是考慮因素多,涉及面廣,設(shè)計過程較為復(fù)雜繁瑣。國內(nèi)外學(xué)者對多高層鋼筋混凝土和鋼結(jié)構(gòu)基于性能的抗震優(yōu)化設(shè)計問題進行了廣泛研究,提出了一些較為實用的優(yōu)化算法。然而綜合設(shè)計法在空間結(jié)構(gòu)領(lǐng)域的應(yīng)用研究才剛剛開始,到目前為止,只有杜文風(fēng)以壽命周期總費用最小為優(yōu)化目標(biāo)對單層Keiwitt型網(wǎng)殼進行了優(yōu)化計算,提出了一種滿應(yīng)力調(diào)控的優(yōu)化算法。作為空間結(jié)構(gòu)基于性能抗震設(shè)計研究的主要內(nèi)容之一,空間結(jié)構(gòu)基于性能抗震設(shè)計方法研究目前尚處于起步階段。2關(guān)鍵問題基于上述分析,對于基于性能的空間結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計,以下關(guān)鍵問題需著重進行深入研究。2.1地震動參數(shù)的確定由于地震動參數(shù)的選取依賴于所分析的結(jié)構(gòu)類型,所以需要結(jié)合不同類型空間結(jié)構(gòu)自身特點,依據(jù)有效性和充分性原則通過借鑒、比選等方法研究確定適合于不同類型空間結(jié)構(gòu)的標(biāo)量式、向量式或其它形式的地震動參數(shù)。2.2結(jié)構(gòu)影響分析模型研究(1)空間結(jié)構(gòu)精確化分析模型的建立。已有的研究中,結(jié)構(gòu)模型均忽略了節(jié)點半剛性、屋面板蒙皮效應(yīng)及耗能等因素的影響,這勢必對分析結(jié)果造成一定的誤差。今后應(yīng)通過試驗和數(shù)值分析等手段研究空間結(jié)構(gòu)節(jié)點在大變形循環(huán)荷載下的滯回性能,得到節(jié)點考慮損傷累積的多維動力滯回本構(gòu)模型,并研究屋面板對結(jié)構(gòu)的影響規(guī)律,建立綜合考慮節(jié)點滯回本構(gòu)以及屋面板等因素的精確化空間結(jié)構(gòu)分析模型。(2)空間結(jié)構(gòu)桿件破壞、局部結(jié)構(gòu)破壞與整體結(jié)構(gòu)破壞的關(guān)系研究。應(yīng)著重研究桿件突然失效所引起動力效應(yīng)的合理計算方法,桿件在強震作用下斷裂、失穩(wěn)以及塑性發(fā)展等對結(jié)構(gòu)整體性能狀態(tài)的影響,并以此為基礎(chǔ)研究不同桿件重要性等級的劃分。(3)空間結(jié)構(gòu)復(fù)雜耦合效應(yīng)研究。主要包括土-基礎(chǔ)-支承結(jié)構(gòu)-屋蓋結(jié)構(gòu)動力相互作用以及大跨度空間結(jié)構(gòu)多維多點地震動輸入下災(zāi)變機理。(4)在基本掌握了單條地震波作用下空間結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)的基礎(chǔ)上,利用IDA方法從概率角度研究空間結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)將是今后的發(fā)展趨勢。其中,各類空間結(jié)構(gòu)合適的地震動參數(shù)以及能夠有效反應(yīng)其整體破壞程度的性能水平劃分指標(biāo)是IDA方法需要解決的關(guān)鍵問題。2.3地殼結(jié)構(gòu)的抗疲勞動性能水平的劃分以及性能目標(biāo)的確定(1)非結(jié)構(gòu)構(gòu)件地震災(zāi)變仿真的應(yīng)用震害調(diào)查表明,非結(jié)構(gòu)構(gòu)件、內(nèi)部設(shè)施破壞引起的損失往往大于結(jié)構(gòu)構(gòu)件破壞引起的損失,這在2004年日本NiigataChuetsu里氏6.8級地震震后空間結(jié)構(gòu)的災(zāi)害調(diào)查中得到了印證。因此,空間結(jié)構(gòu)性能水平的劃分需要綜合考慮結(jié)構(gòu)及非結(jié)構(gòu)構(gòu)件的破壞狀態(tài),建立包括屋面板、隔墻、內(nèi)部設(shè)施等非結(jié)構(gòu)構(gòu)件在內(nèi)的整體模型進行地震災(zāi)變仿真是一種有效且經(jīng)濟的方法,然而非結(jié)構(gòu)構(gòu)件的形式復(fù)雜多變,參數(shù)眾多,易受施工等因素的影響,如此多的不確定性大大增加了仿真難度,因此,類似于多高層結(jié)構(gòu),針對非結(jié)構(gòu)構(gòu)件、內(nèi)部設(shè)施進行振動臺試驗是一種有效的補充研究手段。在大量計算機仿真和試驗數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上,研究能夠合理劃分空間結(jié)構(gòu)性能水平的自定義綜合式標(biāo)量指標(biāo)、向量式指標(biāo)或者兩者結(jié)合的指標(biāo),并進一步研究各種劃分指標(biāo)的特點及其適用范圍。(2)基于可靠度的隨機性方法與作為未來發(fā)展方向目前主要有兩類方法來描述結(jié)構(gòu)的性能目標(biāo):基于可靠度的隨機性方法和確定性方法?；诳煽慷鹊碾S機性方法能夠充分考慮外部荷載、結(jié)構(gòu)本身等不確定性因素,因此是相對合理、全面的方