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基于性能的抗震设计在建筑结构方面应用研究

出处:论文网
时间:2017-06-04

基于性能的抗震设计在建筑结构方面应用研究

  基于性能的抗震设计理论是20世纪90年代初由美国学者提出,按此理论设计的结构在未来的地震灾害下能够维持所要求的性能水平。基于性能的抗震设计作为一种更合理的设计理念,代表了未来结构抗震设计的发展方向,引起了各国广泛的重视。我国国家自然科学基金“八五”重大项目“城市与工程减灾基础研究”的有关专题就开始涉及到这方面的研究。国家自然科学基金“九五”重大项目“大型复杂结构体系的关键科学问题和设计理论”的一些专题包含了这方面的部分内容。中国建筑科学研究院工程抗震研究所联合国内部分高校和研究所开展了“我国2000年工程抗震设计模式规范”的研究,并于2000年《建筑结构学报》第一期介绍了这方面的研究成果。

  目前,基于性能的抗震设计思想已经渐渐为许多建筑结构的设计、施工、维护所采用。

  一、大跨度悬臂桁架结构

  范峰等在研究了悬臂桁架结构的强震失效机理的基础上,详细介绍了基于性能的抗震评估方法――增量动力分析(Incremental Dynamic Analysis,IDA)的基本原理和具体实施步骤,阐述了IDA方法相关参数的确定原则,并利用该方法对悬臂桁架结构进行了有效的抗震性能评估,从概率的角度评价了悬臂桁架结构在未来遭遇地震时的可靠性。

  二、钢筋混凝土高墩

  李正英等根据钢筋混凝土高墩的地震反应特性,确定采用曲率延性系数作为性能参数,并给出桥墩在地震作用下曲率延性系数对应各性能水准的量化值。分别以位移延性系数、位移角限值以及曲率延性系数作为性能评价指标,采用增量动力分析法对桥墩进行抗震性能研究。

  三、桥梁结构

  邹永旺,贺国京在分析方法的基础上,应用统计的强度折减系数模型,基于概率分析方法,应用随机地震作用模型考虑地震作用的随机性,评估桥梁结构在确定性烈度的地震作用下和年基准期内的抗震可靠度。

  穆哲,杨光辉对红旗村黄河大桥进行了Pushover分析和抗震能力评估,最后分析了现有加载模式和非线性分析的差异。Pushover分析方法是一种用于预测地震动作用下将复杂的动力弹塑性问题简化为静力弹塑性问题的近似方法,主要讨论结构在地震动作用下所受到的变形和力。其基本原理是:在结构分析模型上施加某种方式的荷载(如模态荷载、均匀荷载、倒三角形荷载等)来模拟地震水平惯性力。

  抗震性能目标规定为在给定设计地震动水平下结构超过规定的抗震性能水平的条件概率,以期解决我国公路桥梁的抗震设防目标长期没有规定预期的可靠度的问题;采用一次二阶矩法,建立基于需求能力系数的抗震性能设计的极限状态方程,该方程同时考虑结构地震需求和抗震能力的不确定性。

  四、RC框架结构

  崔双双,吕大刚采用静力能力谱方法、动力能力谱方法和时程分析方法,对所设计的RC框架结构进行分析,研究不同强度需求谱作用下结构整体抗震性能系数的需求值。针对“侧向连续倒塌”失效模式,采用基于备用荷载路径的Pushover方法、静力能力谱方法、IDA方法和位移需求能力系数法,分别从强度、耗能以及变形的角度,对所设计结构的抗侧向连续倒塌能力进行研究,并将基于承载力的鲁棒性指标分别拓展到基于谱加速度和变形的鲁棒性指标。针对“竖向连续倒塌”失效模式,采用考虑构件失效加载方案的Pushdown分析方法和考虑构件失效时长的竖向IDA分析方法,分析损伤结构在初始屈服状态、整体屈服状态和承载能力极限状态时的抗竖向连续倒塌能力,并得到其相应的抗竖向连续倒塌鲁棒性指标。

  杨伟,欧进萍等在基于性能的抗震设计理论研究的基础上,针对Park&Ang提出的双参数损伤模型,首先研究了其简化的计算方法;在已有的“规范设计+损伤验算”的损伤设计理论基础上(这种损伤性能设计方法是将规范设计方法中的弹塑性变形验算改为损伤性能验算),进一步研究钢筋混凝土结构直接基于损伤性能的抗震设计方法。研究了基于Park&Ang损伤模型的弹塑性反应谱(“损伤谱”,损伤谱综合考虑了结构最大位移反应和结构累积滞回耗能的耦合作用)。

  马倩等针对传统能力谱法以基本振型为振动控制向量的缺陷,研究了高阶振型对结构动力反应的影响,详细推导了考虑高阶振型影响的结构动力方程;对钢筋混凝土框架进行了模态能力谱分析(简称MPA法)和时程分析,所得层间位移角曲线与倒三角、多振型楼层惯性力组合以及基本振型加载下的结果对比显示,高阶振型对高层结构的动力反应影响明显,采用模态能力谱法能有效提高结构性能评价的精度。

  五、火电厂主厂房框排架结构

  尹龙星等探讨静力弹塑性推覆(Pushover)分析方法在不规则结构分析中的适用性,论证多维空间推覆方法和考虑高阶振型对火电厂主厂房框排架结构的影响。研究不同加载模式下结构能力曲线和破坏模式的区别,并分析了不同状态下结构内力、变形、塑性铰分布与时程分析结果的差异。利用ATC40能力谱法和改进能力谱法对框排架结构进行抗震性能评估,探讨能力谱法用于不规则结构时的可行性,同时对比分析两种方法在评估过程中的优缺点,给出不同状况下的应用建议。基于性能的抗震设计是未来结构抗震设计的发展方向,基于损伤性能的抗震设计方法是其中重要的一部分内容。

  六、总结

  目前在结构中常用的基于性能的抗震设计分析方法主要包括:基于位移的设计方法、基于损伤性能的设计方法、基于能量的设计方法、综合设计方法、基于可靠度的设计方法等,基于位移的抗震设计方法大致有控制延性的方法(能力设计方法)、能力谱法和直接基于位移法。另一说法,目前在结构中常用的基于性能的抗震设计分析方法主要包括基于静力的分析方法、基于动力的分析方法、能力设计方法、结构易损性分析方法、综合设计法。基于静力的分析方法主要包括能力谱法、位移修正系数法、设计谱方法、适应谱推覆分析方法(Pushover法)、模态推覆分析方法(模态Pushover法)以及Ay-Dy格式地震需求谱等。基于动力的分析方法主要包括弹塑性时程分析法、增量动力分析法(IDA)、蚁群优化法等。(作者单位:大连理工大学建设工程学部)

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