基于性能抗震设计,同济大学
基于性能的建筑结构抗震设计研究
级中能够产生破坏的最大程度。 传统的设计方法对建筑结构的主体破坏预测 但是很难达到基于陛能的建筑结构抗震设计方法对预 地震时 自然灾害中难以预测的重大灾害之一 ， 一旦发生就会对 区域内人 具有较强的控制谁骗 ， 主要是 因为其还要考虑非主体结构 的破坏预测 、 内部设施 以及建 们 的人 身 安 全与 财产 安 全造 成 严重 的威 胁 ， 尤其 是 对 建筑 物 具 有摧 毁 性 的伤 测的要求 ， 主体结构与非主体结构的损坏所导致的后果一般 以结构的 害， 从而引发更加深远的不利影响。因此人们一直在探索能够使建筑物降低 筑功能的损坏等。
建筑 理论 与设 计
基于性能的建筑结构抗震设计研究
摘要 ： 建 筑结 构 的抗 震 设计 一直 是建 筑 领 域 的 重大 难题 之 一 ， 基 于性 能 的抗 震 结构 设 计在 建 筑 设计 中的应 用 ， 使得 建 筑抗 震 问
题迎 刃而解 ， 因此其也必将成为未来建筑结构抗震设计的努力方 向。本文对基于性能的建筑结构设计特征和研究方向进行 了详细 的探讨， 并在对能力谱法着重阐述之后 ， 提出了一种优化过后的能力谱法。 关键字 ： 基于性能； 建筑结构； 抗震设计
或 者 免 于地震 破 坏 的建 筑结 构 设计 方 法 ， 另 外 随着 科 技能 力 的 不断 提 高 以及 能 力 以及居 民的 安全 状况 来反 应 ， 并 依 据结 构 的不 同 破换 程 度将 性 能标 准 具 体 划分 为 五个 等 级 ， 即基 本 完好 、 轻度 损坏 、 中 度损 坏 、 严 重损 坏 与倒 塌 。
非线性静力分析两种 ， 其实质上还是基于位移的抗震性能设计。基 于位移的 抗震设计具体 主要有三种方法 ， 即按照延性 系数设计方法 、 能力谱方法与直 接位移设计方法。 其 中按 照 延性 系数 的 设计 方法 ， 本 质上 还是 根 据建 筑 构 件 的位 移延 性 系 数， 或者截面的曲率延性系数的塑性混凝土极限压应变关系。根据约束箍筋
基于性能的结构抗震设计方法研究
文 献标 识码 ： Ａ
２ 世纪 ８ ０ ０年代 以来 世界 上发生 的几 次破坏 性地 震震 害表 ｒｉ Ｄ ｓ ｎ 简称 Ｐ Ｓ 理论新概念 ， ｎ ｅｉ ， ｃ ｇ Ｂ Ｄ） 这是工程抗 震发展史 上的一 明， 按照现行抗震设计方法设计 的结构 物发生地震倒塌 的概 率很 个重要里程碑 。 小， 地震所造成 的人 员伤亡 数量显 著下 降， 但地 震引起 的经 济损 １ 基 于性能 的结构 抗震 设计 的概念 失却令 人震惊 。随着社 会工业 化进程 的加快 和物质 文 明的迅猛 尽管 目前基于性能 的抗震 设计得 到 国际上广泛 的重视 与研 提高 ， 业主或社会团体对 一些重要结构 物在地震 中的性 能提出 了 究 ， 也得 到了一 些初 步的成果 。但 是对 于基于 性能 的抗 震设计 ， 更高的要求 ， 当前的抗震设计方法 已经不能满足这种需求 。 现在还没有一个 统一 的定 义。 比较 有权威 性 的是美 国 ｓ ， Ｅ 基于对现代地震经 验和教 训的深 刻反思 ， 国学者 于 ２ 美 ０世 纪９ ０年代初提 出了基于性能的抗 震设计 （ ｅｆｒ ｎ ｅ ａｅ ｅ 一 Ｐ ｒ ｍａｃ－ ｓｄＳ ｉ ｏ Ｂ ｓ
和扇性静矩 ， ＝ｂ ｈ ｔ￣４ ３ ｆ２ ， ＝ｂ ｈｆ １ 。 Ｅ ｔ ６ ／
Ａ Ｃ和 Ｆ ＭＡ等组织给出的基 于性 能设计 的描述 。其 中 ｓ：０ Ｔ Ｅ Ｅ Ｃ Ａ
扭矩与构 件的保 护层 厚度 、 配箍率 、 面尺寸等有关 ； 截 除此之外 ，
还可得出在一定 的配筋 和型钢作用下 ， 公式计算 值能够较好 的反 考虑处于有效壁厚 内型钢翼缘 的影 响 ， 由空间桁架理论公式 映构件的实际抗扭 极 限。这 为研究 构件在 压弯剪 扭复合 受扭作 或我 国规范公式 可得 到外部钢筋混凝土对极 限抗扭 的贡献 ， 通过 用下构件极 限扭矩 的计算打下 了一定 的基础。
房屋建筑基于性能的抗震设计理论及方法的研究现状与发展前景
想。
地震灾害是一种常见并且 多发的 自然灾害现象 ， 它是人类 面临 基于性能 的抗震设计 的主要特点 ： 使抗震设 计从宏观定 性 的 目 的主要灾 害之一 。地震 的发生具 有随机性和偶然性 的特 点 ， 其发生 标 向具 体量化的多重 目标 过渡 ， 抗震设计 由以保 障人 员生命安全 将 的时 间和空 间、 强度和持续 的时 间等均不 确定 。随着大量 的震 害分 为基本 目标 转化 为不 同风险水平地震作用下 满足不 同的性 能 目标 ， 析和工程抗震理论及实践经验 的积累 ， 人们对 工程抗震的认识不 断 从 而通 过多 目标 、 多层次 的抗震 安全设计来最大 限度保 障人员生命 深入 ， 并且 基于 目前 的抗 震设计思 想采取 了相应的抗震 措施 ， 在正 安 全和实现 “ 效益 一投资 ” 的优化 平衡 以及满 足对结构 “ 性” 个 的要 常设计 的情况 下能够做 到在一定程度上 保障结构 在遭遇 高于预期 求 。 基于性能的抗 震设 计是在总结传统抗震设计思想 的基础上延伸 地震 的情况下不至于瞬 间倒塌 ， 其抗震设 防的 目标 尚局限在基本保 和发展 。 传统的三水准抗震设计思想也具有基于性能 的抗震设计思 障人员安 全 的水 准 内， 其破坏没 有得到有效 的控制 ， 但 震后 的人员 想 的因素 ， 只不过其是初级 的、 目标不 明确而 已。 目前 ， 世界许多 国 和财产损失是 巨大 的， 往往超过 了社会所 能承受的范 围。由于地震 家都对基 于 胜能的抗 震设计 进行广泛而细致 的研 究 ， 以期将其尽快 和地面运动有很大 的不确定性 ， 结构在其有效 使用期限 内可能遭遇 的 应 用 到 新 的 抗 震 规 范 中 去 。 我 国在 ２ １ ０ ０版 的 抗 震 设 计 规 范 和 预期强度 等级 的地震 ，也有 可能遭遇远 远大于预 期强度 等级 的地 ２ １ ０ ０版高层建筑混凝 土结构技术规程 中将关 于 陛能设计 的最新研 震， 如何确定 符合经 济社 会发展 的抗震设 防 目标 、 并采取行 之有效 究 成果 写入 ， 就体现 了这一新 的思想 。 抗震设计方法保证设 防 目标 的实 现 ， 进而有效 的控制地震灾害发生 ３基 于 性 能 的 抗 震 设 计 理 论 框 架 的范 围和程度 ， 地震 学界和工程抗 震界亟需解决的问题。 是 基 于性能 的抗震设计涉及 地震工程 、 岩土工程 、 结构 工程 、 建筑 目前 国内外工程界 ， 结构抗震设 计实践 中 ， 以本 区域 内预 学 和社会经 济等诸 多学科 ， 在 多 是开放 的 、 多学科交叉 的体系 ， 于性能 基 期地震作为结构弹性 阶段承载力 和变 形验算依据 ， 在特殊情况下采 设计 的挑 战在 于确定各领域 的关键 技术并开展研 究 ， 在探 索研究 中 用结构非线性反应分析进行变形验算 ， 以保证 结构在遭遇高于预期 使性能设计更加接 近实际的工 程应 用和实践 。一 般来 讲 ， 于性能 基 地震下不至于倒塌危及生命安全 。 这是 以生命安全为单一 目标 的设 的抗震设计 主要包括地震设 防水准 的确定 、 结构性能 目标 和性能水 防水准 。 这种设计方法较 为简单 ， 设计结果造价低廉经济 。 国现行 准 、 我 结构反应性能参数 的确定 、 及结 构分 析设计 的方法等内容 。 抗震设计规范 的主要指导思想和工程设计 实践 中也是采用 “ 小震不 ３１地 震 设 防水 准 的确 定 ． 坏， 中震 可修 和大震不倒” 的三水准抗震设 防准则 。 与之对应 的采用 地 震设 防水准是 指未来可 能作用 于场地进 而施 加在 建筑结 构 二阶段抗震设计方法来实现三水准 的抗震 设防要求 的 ： 第一 阶段进 上 的地震作用 的大小 ， 也称地震风 险 『 生水平。地震设 防水 准是抗震 行强度验 算 ， 即取第一水 准烈度 的地震动 （ 小震 ） 参数 ， 采用 弹性反 设计 的基本 问题 ， 地震设防水准直接关 系到结构 的抗震 能力 。对于 应谱计算 结构 的弹性地震作 用及效应 ，并 与其它 荷载效应 进行组 基 于性能 的抗震 设计 ， 为实现 多级抗震设 防水准 ， 控制 不 同地 震作 合， 对结构进 行抗震 承载力和 弹性 变形验算 ， 以满 足必要 的强度 和 用下结构 的破坏状态 ， 就需要细化地震设 防水准 。根据不 同的重现 变形要求 ； 二阶段进行 弹塑性验算 ， 仅局 限于 特别重要 的建筑 期确定可能发生 的不 同水 准或等级的地震动参数 ， 第 但 包括地震 加速度 和地震时易倒塌 的结构 ， 第三水准烈度 的地震 动（ 按 罕遇地震 ） 参数 时程 曲线 、 加速度反应 谱 、 峰值加速度 、 震动 的速度 、 地 位移 和频 率 进行薄 弱层 的弹塑性变形验算 ， 采取相应 的构造措施 以满足 “ 并 大 等 。 我们 国家抗震设计依据 的是 小震 、 中震 、 大震 三级设 防水准 ，从 震不倒” 的设 防要 求 。 超 越概率角度 描述这三级水 准并 以不 同烈度来 相对应 ，基 于烈度 传统 的结 构抗震思 想和手段 ， 有其 明显 的局 限性 ， 可靠水准 （ 其 在设计时转化为地震动加速度） 来设 防。 国内外 的研究成果来看 ， 从 不能与现代社会发展 的需求相适应 。在此背景下 ， 基于性能 的抗震 地震 动 的速度 、 位移 、 持续 时间和频率 等对结构 的安全 性也有很 大 设计被提 出和广泛研究 ， 被认 为是未来房屋 建筑抗震设计 的主要 的影 响， 并 为实现基于 眭能的抗震设计， 以上参 数对结构性 能的影响有 发 展 方 向和 建 筑 抗 震 设 计 规 范 的主 要 指 导 思 想 。 结 构 采 用 多 级 性 待进一 步研究 。 对 能水平 和多级抗震设 防 目标 的基于性能 的抗 震设计 具有重 要 的理 ３ 结 构 性 能 目标 和 性 能 水 准 的确 定 ． ２ 论意义和实用价值 。 结构 性能 目标 ， 是指针对某一个地震设 防等级 而期望结构 达到 ２基于性能 的抗震设计理论研 究发展概述 的结构性能水准 。性 能 目标 的选择非常重要 ， 它为整个设计 和建造 基于性 能的抗震设 计理 论 （ｅｆ ｍａｃ— ａｅ ｅｓ ｃ Ｄ ｓ ｎ 过程设定 了必须遵守 的准则 。 构抗震性 能水 准是指结构在某一特 Ｐ ｒ ｒ ｎｅ ｂ ｓｄ Ｓ ｉ ｅｉ ） ｏ ｍｉ ｇ 结 是 ２ ０世纪 ９ ０年代 由美 国科学家 和工 程师首先提 出的 ， 最早应用 于 定设 防地震等级下预期破坏 的最大程度 。各 国学 者 ， 于性 能设计 基 桥 梁抗震设计 中。 １９ 年 ， 国加州工程 师协会 Ｖ ｓ ｎ ２ ０ ９５ 美 ｉ ｏ ０ ０委员 的思想 提出了不 同的性 能 目标 划分和水准划分 ， ｉ 较传统抗震 目标均 会 提出了发展能够满足多种结构性 能 目标 的、 指导结构抗震性能 的 有 明显 的细分 ， 具有更强 的适应性 和可操作性 。我 国高层 建筑混凝 框架 ；９ ６年 ， 国联邦紧急救援署 （ Ｅ Ａ） 出既有建筑评定 、 土设计规程 中对结构抗震性能 目标 和水准做 出了明确 的规定 ， １９ 美 ＦＭ 提 加 抗震 固 中使用 多重性能 目标 的建议 ， 在 １９ 并 ９ ８年 和 ２ ０ ０ ０年 ， 又发布关 性 能 目标 综合 考虑抗震 设 防类别 、 防烈 度 、 设 场地 条件 、 结构 特殊 于基于 ｌ 生能的抗震设计文件 。自基 于结 构． 的抗震设计理论提 出 性 、 陛能 建造费用 、 震后损失 和修 复的难易程度等 因素 ， 划分 为四级性能 以来 ， 建立 以结构 功能评价 为理论基础 的结构设计 体系是近几年美 目标分为和 五级性能水准 ， 比传统 的“ 相 小震不 坏 、 中震可 修 、 大震 国 、 本 和新 西兰等国家的研究课题 。基 于性 能的抗震设计 出的结 不倒 ”进行 了具体 明确 的量化 ， １ ３ ， 体现 了基于 陛能抗震设计思想 。 构 在未来 的地震灾害下能够维持所预期 的性 能水平 ， 资 一效益准 投 ３ ． ３结构反应性能参数的确定 则 和建筑 结构 目标 性能 的个 性化是基 于性 能 的抗震 设计 的重要思 如何 建立对于不 同性能 目标 的结构地震反应 性能 的评 价标准 ，
某塔楼偏置高层建筑的结构设计
某塔楼偏置高层建筑的结构设计化明星【摘要】采用基于性能目标的抗震设计方法,结合大量计算分析,确保某塔楼偏置高层建筑在地震作用下具有良好的抗震性能.分析了塔楼偏置对结构的不利影响,并提出加强措施.【期刊名称】《山西建筑》【年(卷),期】2019(045)012【总页数】3页(P40-42)【关键词】超限高层;塔楼偏置;性能化设计【作者】化明星【作者单位】同济大学建筑设计研究院(集团)有限公司,上海200092【正文语种】中文【中图分类】TU973.31 工程概况本工程为某地准五星级酒店配套项目，总建筑面积4.7万m2。
3层地下室(另含一夹层)用作设备用房及停车库，埋深13.650 m；裙房地上共12层，总高度为54.00 m，其中1层～4层为商业或餐饮；塔楼地上23层，总高度95.8 m。
塔楼偏置于建筑北侧、收进于13层，裙房7层～13层楼屋面板大开洞，各层洞口上下对齐。
图1为裙房平面布置图，图2为建筑剖面图。
本工程抗震设防烈度为7度(0.15g)，设计地震分组为二组，场地类别为Ⅰ1类，场地土特征周期为0.25 s，结构设计使用年限为50年，安全等级为二级，根据GB 50223—2008建筑工程抗震设防分类标准，抗震设防类别：裙房1层～4层为乙类，5层～23层为丙类。
2 上部结构2.1 结构体系本工程根据建筑功能平面设计采用钢筋混凝土框架—剪力墙结构，现浇混凝土楼盖。
考虑到各层建筑使用功能的影响，剪力墙主要布置在塔楼角部楼电梯四周，各层剪力墙均落地，为主要抗侧力构件(X向框架承担的地震倾覆力矩为总倾覆力矩的45%，Y向为37%)。
框架和剪力墙抗震等级均为二级。
采用钢筋混凝土梁板结构体系，裙房及塔楼楼板厚度一般为120 mm，加墙部位为130 mm或者150 mm；主楼梁截面350×750，250×600，柱截面800×800,900×900,1 000×1 000；裙房梁截面350×700,400×700,250×600，柱截面600×600,700×700；剪力墙厚度300 mm～400 mm；梁板混凝土强度等级均为C30，墙柱混凝土强度等级从上到下C35～C55逐步变化。
建筑结构基于性能的抗震设计理论及方法
近 １ ０ 来 ，随着人们 对地震 的运动特 征和反应 ０年 特 征 的探 索和 认识 逐步 加深 ，人 类科 技水 平不 断提 高 ，对 于 建筑 结构 的抗 震设 计及 方法 也在 不断 的完 善。各类 理论在通过地震 的考验后逐渐发展 、全面 、
设计理论 ，并取得了一定的研究成果 。 （ 性能抗震设计理念 的特点 二）
期抗 震 目标 。
３ 自由度大 。相 比较传 统抗震 设计刻板 的被 动 ．
状态 ，性能抗震设计可根据业主 的要求确定 目标 ，给 设计带来新的动力。
（ ） 能 抗 震 设 计 目标 三 性
１９ 年，美国的放眼２ 世纪委员会提 出了基于性 ９５ １ 能抗震 设计的框架 ，此专项研究得到美 国政府大力支 持 与资助 ，并进行 了有前瞻性 的多方面研 究。此后 ， 澳 大利 亚、 日本、新西兰 、英 国、智利等 国家也在 多 方资助 下，为推进此专项研究 ，成立 了各类委员会 ，
通 过对现 行抗震设计理论 的实践 ，可 以对两者进
行对 比，以得到性能抗震设计理念 的特点 。 １ 多级 设 防 。相 对 于 现 行 的三 阶段 设 防 目标 ． （ 小震不坏 、中震可修 、大震不倒 ），性 能抗 震设 计 注重多级设防 ，保护非结构件 与内部 设施 ，后者的设 计理念既保证使用者安全 ，又减轻业主和社 会的经 济
能力谱设计是将能力谱 曲线与地震反应谱转化而来的
需求谱 ，进行 比较来评估其抗震性能。此方法侧重对 结构 的实际性能进行验算、评估 。另外 ，能力谱设计 法 比较适用于平面结构可简化且分布较均匀的结构， 否将会产 生不小的误差 。 ３ ．直接 位移设 计法 。侧 重于结构 性能设计 ，概 念简单 ，根据地震等级来预期位移计算 ，使结构达到
基于性能的抗震设计研究综述
卷第 年
期 月
结
构
工
程
师
,
基 于 性 能 的抗 震 设 计研 究 综 述
朱玉 华
’
黄海荣
,
骨玉祥
。
同济大学 建筑工 程 系 上 海
摘
要
基 于 性 能 的 抗震设 计是 基 于 量化 的 多性 能
,
目标 的 设 计
,
引 起 了 地震 工 程 界 的 广 泛 研 究
,
在国
目
内外基 于 性 能 杭 震设 计研 究 基 拙 上 研 究 了 基 于 性 能 杭 震设 计 的 主要 内容 探 讨 了 基 于 性 能 的 抗 震 设计
“
,
,
,
年 提 出 并 编制 设 计 方
,
“
大震
”
、
“
中震
一
”
、
法 草 案 规 定 了 不 同使 用要 求 下 的设 计 目标 详细 介 绍 了基 于 性 能设 计 方 法 流 程 包 括 概 念 设计 范 围 场 地可 行 性要 求 初步 设 计 时 以 性 能 目标 为导 向的设 计 方 法 与 结 构 抗 震 性 能 评 估 等
〕
。
研 究概 况
美 国 基于 性 能 的研 究 报告
’
、
研 究 内容
性能 目标 性 能 目标指 在 不 同设 计 地震 水 平下 结 构 应 达 到 的性 能水 平 包 括 三 个 内容 地 震水 平 结 构 性能 水平 及 结 构性 能 目标 的确 定 地 震水 平 地震水 平 通 常 以 一 个基 准期 内的某 个超越 概
一
,
一
。
联 系作 者
,
采用增量动力分析方法确定高层混合结构的性能水准
卜一 吕西林 周颖 黄志华 (同济大学土木工程防灾国家重点实验室,上海 200092)
采用增量动力分析方法确定高 层混合结构的性能水准
摘要 增量动力分析(IDA)方法是一种基于弹塑性时程分
析结果的参数分析方法,能够给出任一性能水准下的结构 性能,反映结构在未来可能发生的一系列强震下变化的动 态特性、结构的极限变形能力等抗震性能。采用IDA方法 对9个不同结构特性的高层钢框架-混凝土核心筒混合结 构展开分析,提出了高层混合结构的四个性能水准,并给出 了相应的最大层间位移角范围,以作为基于性能设计抗震 设计的控制指标。
1.引言
钢框架-混凝土核心筒混合结构是结合了钢结构 施工快和混凝土结构刚度大、成本低的优点,具有良 好的耗能能力,被认为是一种符合我国国情的高层结 构形式,已成为我国高层建筑的主要结构形式之一。 但是,国内外对此类结构抗震性能的研究尚不充分,也 缺乏相应的震害资料。 目的：本文通过9个不同特性的高层混合结构计算
模型,输入多条地震动记录进行弹塑性时程分析,运用IDA 方法分析评估高层混合结构的抗震性能,提出不同性能水 准下的最大层间位移角范围。
2. IDA方法
IDA方法是将地震动的加速度分别乘以一系列比例系数 ( scale factor , SF) , 使之成为一组不同强度的地震动, 结构在这组 地震动荷载作用下,分别进行非线性动力时程分析, 通过绘制结构 性能参数( damage measure , DM )与地震动强度( ground motion intensity measure , IM )的曲线 , 来研究结构在地震作用下损伤破 坏的全过程。
图 7 结构在地震动作用下的DM-IM曲线 Fig 7 DM-IM curves of structures under different records
基于性能的建筑结构抗震设计方法
基于性能的建筑结构抗震设计方法导言高层建筑逐渐成为我国的主要建筑形式，究其原因，主要是高层建筑能够节省土地资源，还可以为居住者创造更加优质的生活环境。
但如何保证高层建筑结构的质量和稳定性，成为居民关注的话题。
因此，本文对基于性能的建筑结构抗震设计进行研究，其意义十分重大。
基于性能的建筑结构抗震设计的主要目标地壳板块高强度运动是地震产生的根本原因，地震具有非常强的破坏力，且很难预测和控制，以突发性为主，故高等级地震产生的影响非常巨大。
以唐山地震和汶川地震为例，唐山地震死亡人数接近30万人，整个唐山市几乎成为废墟，而汶川地震也同样如此，据震后统计，汶川地震死亡人数接近8万，所造成的直接经济损失高达几百亿元。
自此之后，国家十分注重建筑结构的抗震设计。
《房屋建筑工程抗震设防管理规定》《建筑工程抗震设防分类标准》等有关规定的出台，要求各建筑企业必须做好抗震结构设计，确保建筑物的抗震性能。
基于性能的建筑结构抗震设计方法1.选择建筑场地在进行建筑结构抗震设计过程中，建筑场地关系到建筑的抗震效果。
比如：在设计条件相同的情况下，位于地势起伏较大地区的建筑，其建筑结构抗震效果偏低，而位于地势平坦地区的建筑，其结构抗震效果较好。
因此，在地震发生后，建筑被破坏程度存在明显的差异。
有鉴于此，设计人员应该重视建筑场地的选择，并通过调研的方式，对施工环境地质条件加以明确，同时查阅相关资料并勘探建筑施工现场，使建筑结构抗震设计效果得到充分发挥。
比如：如果建筑所处的区域多软土和黄土，则建筑结构抗震性能偏低，如果建筑所处区域的土层为黏土，则有助于提升建筑结构的抗震性能。
设计人员需要在设计过程中，考虑地质条件，一旦发现建筑所在地的地质条件较差，应采取有针对性的措施，对地基土层进行加固处理，确保建筑地基与抗震设计要求相符，只有这样，才能对地震进行有效抵御。
2.建筑地基设计地基基础是建筑结构的重要组成部分，保证地基基础的质量，才能确保建筑结构的抗震性能，因此，建筑结构设计人员在设计过程中，应该考虑地基基础质量对建筑结构抗震性能的影响，并在实际设计阶段，采取有效的措施，处理地基基础，使地基基础的强度满足建筑要求。
中震弹性设计与中震不屈服设计的理解及实施
第24卷第6期2008年12月结 构 工 程 师Structural EngineersVol .24,No .6Dec .2008收稿日期:2008-05-30基金项目:973计划项目(2006BAJ13B01),国家自然科学基金项目(50708071),上海市晨光计划项目(2007CG27)中震弹性设计与中震不屈服设计的理解及实施周 颖 吕西林(同济大学土木工程防灾国家重点实验室,上海200092)摘 要 我国目前的抗震规范规定结构抗震设计时,进行小震作用下的承载力验算、弹性变形验算和大震作用下的弹塑性变形验算,对中震设计的具体内容涉及很少。
近年来随着我国复杂和超限结构的不断出现,国内一些专家提出对此类重要结构实施中震作用下的抗震设计,具体包含“中震弹性”和“中震不屈服”两种方法。
文中首先就这两种设计方法的概念、具体设计参数进行了对比分析;然后以某一高层混合结构为例,对比了按7度丙类建筑小震、乙类建筑小震、丙类建筑中震不屈服、丙类建筑中震弹性下的设计结果,得到的一系列结论可供设计人员和规范修编参考。
关键词 中震弹性设计,中震不屈服设计,设计参数,混合结构I nterpret ati on and I mple ment ati on of El asti c and Non 2Y i eldi n gDesi gn under M oderate EarthquakeZ HOU Ying LU Xilin(State Key Laborat ory f or D isaster Reducti on in Civil Engineering,Tongji University,Shanghai 200092,China )Abstract I n Chinese code f or seis m ic design,the structural exa m inati on will include f orce carrying capacity and elastic def or mati on check under m inor earthquake,and elast o 2p lastic defor mati on check under maj or earthquake .There is no p r ohibited structural calculati on f or moderate earthquakes .W ith the rap id rush of the comp lex structures in recent years,however,Chinese structural experts p r opose t o perf or m structural design of those buildings under moderate earthquake .Those methods are ter med as “elastic design ”and “non 2yielding design ”undermoderate earthquake,res pectively .First the concep t and design para meter of these t w o methods were compared in this paper .Then the analytical results of a tall hybrid structure were analyzed understructure class B and C of m inor earthquake,and under elastic and non 2yielding design of moderate earthquake .The results and conclusi ons dra wn in this paper can be referred by the structural design and code revisi on .Keywords elastic design under moderate earthquake,non 2yielding design under moderate earthquake,design para meter,hybrid structure1 引 言抗震设防目标是一个国家或地区的抗震规范在现有科学水平和经济条件基础上提出来的,抗震设防目标的实现则采用不同水准下不同的抗震设计方法和要求来实现。
基于性能的混凝土剪力墙结构抗震设计理论研究
２ 基 于性能抗震设计的主要内容
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
传统 的抗震设计方法是以强度作 为设计 的主要 控制参 数 ， 是基于 力的设计 ， 即在设计开始是以力作为设计 变量 。 试验研究表 明， 建筑结 构在各阶段的性能 与其变形 、 位移指标有 较好的相关性 ， 即结 构性 能 与其变形指标之间可建立定量关 系 ． 但与力 之间没有很好 的相 关性。 ３ 基于性能抗震设计 中有待解 决的问题 另外 ． 建筑结构在大震作 用下倒塌 的主要原 因 。 由于其变形 能力和 是 耗能 能力不足所造成的 ． 以位移作 为指标来控 制结构 在大震 作用下的 ３１ 确定结构 的 目标位移 ． 行为更 为合理 因此 ． 在建筑结构设计初期 ， 以变形位移作 为设计变 基于性能抗震设 计的 目的是控制结 构在不 同强度水平 的地震 作 量． 设计者可 以有效地控制结构在 不同水平地震作用下的性能。 用下的破损程度 ． 以达到预期的结构性能 。确定 目标位移是基于性能 目 ．基于性能的抗震设计大致 可归 纳为以下三种主要方法 ： 前 按 设计的关键。在实际工程 中， 如何根据不 同结构的特点选取不 同的性 延性 系数设计 的方法 、 能力谱法 和直接基 于位移 的方法 。 能参数 （ 如层间位 移 、 有害层 间位移 ） 确定 目标位移 ， 以及确 定结构达 ２ 按延性 系数设计方法 ． １ 到 目标位移时构件的变形还有待进一步研究 。 按延性 系数设计方法的实质 ． 过建立 构件的位移延性系数或 ３ 结构整体位移与构件局部变形之间的关系 是通 ． ２ 截面曲率延性 系数与塑性铰区混凝 土极 限压 应变之间的关系 ， 由约束 结构的顶点位移或层 间位移等 ． 由构件 的变形产生的 。 是 因此 ， 在 箍筋来保证核心混凝土能够达到所要求的极限压应变 ， 从而使构件达 以位移为变量的设计 中． 需要根据结构 目标位移 的大小确定构件 的位 到设计需要 的延性需求 用位移延性系数描述构件 的弹塑性变形能力 移需求 以及塑性 铰区截 面的变形需求 ． 如塑性转角的大小或混凝土极 的最 大问题是 如何定义结构或构件的屈服位 移和极限位移 ． 不同的定 限压应变的大小 ． 建立构件塑性铰 区截面变形需求与结构的位移需求 义方法得到 的延性 系数可能相差很 大。 之间的关系。 按 照建筑结构抗震概念设计的要求 ． 各部位性能的优劣对整 ３ 性能水准 、 结构 ＿ ３ 目标位移及性能指标的关系 个结构抗震能力的影响程度是不同的， 结构抗震 性能 评价时必须区分 建筑结构基于性 能的抗震设计要求在一定水准的地震作用下 ． 结 关键部位和一般部位 。 按延性系数设 计时． 需要寻找一套方法 ， 用以建 构应具有一定 的性能水准 ． 如无需维修便能使用 、 稍经维修即可使用 、 立整个结构变形能力与各部位变形 能力之 间的联 系 ， 把结构中不同部 需大修后才能使用、 严重破坏但不倒塌等 。结构 的这些状态可用性能 位 的基本要求转化为各构件延性构造 的基本要求 。 ２ 能力谱法 ． ２ 指标来度量 ． 能指标 又为确定结构 的 目标位移提供依据 ， 性 针对不 同 结构 ， 其性能水准 、 能指标 与 目 位移之间 的关 系（ 性 标 下转 第 ２ ６ ） ８页
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Sc
性能指标要求
Fragility Curves
Median PGA (g) Minor Moderate Major Collapse 0.40 0.60 0.80 0.95 0.8 Log-S.D
Probability of Being Exceeded
1
0.75
●对桥梁结构系统性能、性能目标研究得非常少。
地震作用下桥梁结构易损性研究
由于结构地震响应从地面运动到结构性能两方面固有 的随机性和不确定性，采用IDA（Incremental dynamic analysis）方法结合概率方法对桥梁结构系统进行易损性 研究，从而为桥梁结构基于性能的设计和评估提供基础， 已成为研究热点。 目前对结构的易损性研究主要是通过对结构在不同水平 地震动作用下损伤程度来得到概率意义上的易损性曲线。 易损性曲线可以是通过震害调查得到，也可以是通过理论 计算得到，这里主要介绍理论方法。
DESIGN SPECTRUM
1.2 g
ACCELERATION [g]
Damping 5%
0.5 g
0.00
1.00
2.00 3.00 PERIOD [s]
4.00
Jacques COMBAULT
5.00
TECTONIC MOVEMENTS
PIER BASE
ELEVATION
PLAN
Jacques COMBAULT
增量动力分析
8 7
单自 由度模型
8 7
加速度调 整系数
6 5 4 3 2 1
加速度调 整系数
多自 由度模型
6 5 4 3 2 1
多自 由度模型 极限位移 屈服 位移 极限位移
单自 由度模型 屈服 位移
屈服 曲率
极限曲率
0 0.000 0.002 0.004 0.006 0.008 0.010 0.012 0.014 0.016
50 40 30 20 10
计算模型
多自 由度 计算模型
t=2.91s
t=4.864s
高度(m)
40 30 20 10 0
多自 由度计算模型 t=2.91s 多自 由度计算模型
单自 由度计算模型
0.0000 0.0001 0.0002 0.0003 0.0004 0.0005 0.0006
重要桥梁性能水平 立即使用水平，最小损伤 (Immediate service; minimum damage) 立即使用水平，可修复性损伤 (Immediate service; repairable damage)
功能地震
安全地震
性能指标
Caltrans建议
应变 破坏水平（Damage level） 混凝土 Significant Damage 钢筋 曲率延性 8~10 4~6 位移延性 4～ 6 2~4 延性
增量动力分析（IDA）是近年发展起来的一种动力参数分析方法，其 主要过程为： ●将地震波的加速度分别乘以一系列加速度调整系数,使之成为一组 不同强度的地震波，分别进行非线性动力时程分析，
●通过绘制所研究结构性能（Damage Measure）参数与地震强度 （intensity measure）的IDA曲线，来研究结构在地震荷载作用下的 整个损伤、破坏的全过程。
非规则高墩桥梁
Expasion Joint Gider Pier Frist Segment
Expasion Joint
Third Segment
Second Segment
um
M
yu
Seismic Force
uy
1 2 u y y H 3
H
Lp
u m L p (u y )( H
基于性能桥梁抗震设计的
发展与展望
同济大学 李建中
2007年1月
主要内容
●基于性能抗震设计思想 ●规则桥梁结构基于性能设计 ●地震作用下结构的易损性研究
●复杂桥梁结构基于性能设计需解能的抗震设计实际上是一总体设计思想，主要 指结构在受到不同水平地震（不同概率地震）作用下的性 能达到一组预期的性能目标。
c 0.018 or s 0.06
弯距
Mu Mn My
y
n
u
曲率
x
u
y L
3
2
(u y ) Lp ( L
Lp 2
xi
Ai
中性轴
i
)
yi y
形心轴
o y
yi
ACT－32对桥梁抗震性能水平的建议
场地地震动
最小（普通桥梁）性能水平 立即使用水平，可修复性损伤 (Immediate service; repairable damage) 有限使用水平，严重损伤 （Limited service; significant damage）
Minor Moderate Major Collapse
0.5
0.25
0 0 0.2
0.4 0 0.4
0.6 0 0.6
0.8 0 0.8
0.9 5
1
PGA (g)
Fragility Curves for Caltrans’ Bridges
Minor Damage 1
Probability of Exceeding Damage Stat e
H
L
位 移
0%
5% 10% 20%
周期 力
Hu
H u K eff u M u Hu L
K cr
Keff
y
u
位移
位移需求（结构地震位移反应）
直接利用弹性位移反应谱计算
位 移 需 求 利用修正弹性反应谱或非线性反应谱计算 等效线性法方法 能力谱方法
非线性地震时程分析方法
经过十多年的研究，取得了值得注意的成果，在结构需求与 结构性能指标之间建立了关系，取得了基于性能设计重要的一 步，被称为第一代的基于性能地震工程。美国应用技术委员会 ACT-40，ACT-32，美国加洲结构工程师协会（SEAOC） Vision2000 都出版了相应技术文件。 ● 但第一代的基于性能设计在取得成果的同时，还存在许多 不足：针对的模型过于简单，得到的结构需求与结构性能 指标之间关系主要是针对单自由度体系，性能指标研究对 象主要是单墩构件。 ● 研究方法主要是非线性静力法和线性动力方法（等效线性 化）
基于性能的抗震设计内容主要包括： 1. 科学的定义和确定地震危险性（seismic hazard）；
2. 结构在不同水平地震作用下损伤状态、性能水平 （Performance Levels）、性能指标；
3. 设计方法。在设计初始就明确结构的性能目标，并且使 通过设计，使结构在设计地震作用的反应能够达到预先 确定的性能目标
0 0.00.10.20.30.40.50.60.70.80.91.01.11.21.31.41.51.61.71.8
墩底 曲率（ 1/m）
墩顶位移(m)
a)墩底曲率IDA曲线
b)墩顶位移IDA曲线
60m墩底曲率和墩顶位移的IDA曲线
60 50
60 多自 由度
多自 由度计算模型 t=4.864s
墩高(m)
●可以通过结构在多条地震波下的IDA，将“线”分析拓展为“面” 分析，
A fragility curve describes the probability of reaching or exceeding a damage state as a function of a chosen ground motion intensity parameter (typically peak ground or spectral acceleration).
水准IV
设计地震水准与抗震性能等级的关系
针对不同概率水平地震设防水准、不同的结构部件，研究相应 的抗震性能指标和地震损伤、破坏风险
无损伤
保证结构工作在弹性范围内
有限损伤
保证结构上、下部整体工作状态， 震后可立即修复
结构总体变形（延性） 主要构件危险截面的极限状态保证 —（包括能力设计）—
严重损伤而不倒塌
Moderate Damage Major Damage Collapse
0.8
0.6
0.5
0.4
0.2
0 0 0.2 0.4
PGA (g)
0.6
0.8
1
1.2
Fragilitycurves for the various components of the MSSS-SG bridge for: (a) slight damage, (b) moderate damage, (c) extensive damage, and (d) complete damage.
TECTONIC MOVEMENTS
PIER BASE ELEVATION VERTICAL SLIP : 2 m
PLAN
HORIZONTAL OPENING : 2 m
Jacques COMBAULT
Foundation Concept
Jacques COMBAULT
主要展开的研究
(1) 基于性能的大型桥梁抗震理论 (2) 大型桥梁高桩承台结构的地震反应机理、桩－土－ 结构的共同作用； （3）非规则山区高墩桥梁的地震反应规律、高阶振型效 应； （4）地震作用下碰撞效应及防落梁措施 （5）近场强震、超长周期分量和非一致地面运动对大跨 度桥梁的地震反应的机理和规律 （6）桥梁结构地震易损性与结构动力概念设计 （7）新型减、隔震装置
－为钢筋强化应变（hardening strain）
Kowalsky和Priestly建议