CN101575885A - 一种密肋结构三道防线抗震控制设计方法 - Google Patents

Abstract

一种建筑结构的抗震控制设计方法，根据密肋结构体系的使用场所，选择各部件的组成形式；根据功率谱密度函数表达式，确定多遇地震、基本设防烈度地震和罕遇地震的输入强度；结构计算模型的确定，即确定密肋结构弹性阶段的等效弹性板模型、弹塑性阶段的刚架斜压杆模型、破坏阶段的梁铰框架模型。本发明将结构设计控制限值考虑为随机变量，应用动力可靠度理论进行结构设计；可将地震作用细化为多个水准，并可考虑结构参数的变异性。使设计和建造的工程结构能在各种可能遇到的地震作用下，它的反应和破坏性态均在设计的预期范围内，不仅能确保生命安全，而且能确保经济损失最少，对地震反应和破坏进行了定量的控制设计。

Description

一种密肋结构三道防线抗震控制设计方法

技术领域

本发明涉及一种密肋结构三道防线抗震控制设计方法，属于建筑技术领域。

背景技术

基于可靠度理论的结构概率极限状态设计方法经历了以下两个发展阶段：发展阶段I为经验系数设计法，也称半概率半经验设计法，包括以弹性极限为基础的容许应力设计法和以塑性极限为基础的破损阶段设计法；发展阶段II为近似概率设计法，最具代表性的设计方法即荷载与抗力系数设计方法，中国规范《建筑结构可靠度设计统一标准》(GB50068-2001)采用的就是近似概率设计法。发展阶段III为全概率设计法，随着结构可靠度理论的发展与成熟，当前基于可靠度理论的概率设计方法出现了由阶段II向阶段III发展的趋势。将结构的抗震性能设计建立在基于可靠度的全概率设计基础之上，应该是结构概率设计和抗震设计的共同发展方向。

目前我国所采用的三水准两阶段的抗震设计方法，严格的讲属于一种基于承载力的设计方法，因为在这种方法中结构位移和结构构件的变形并没有处于主要地位。事实上，地震作用下结构或非结构构件的破损主要是由于水平位移过大造成的，用承载力作为唯一的指标，不能预估地震地面运动对结构的要求和控制结构构件在大震作用下的变形能力，因而并不能确保结构的抗震安全性和控制结构在地震作用下的破损程度。

我国现行抗震设计规范只在结构承载能力极限状态设计上实现了近似概率设计，而结构在小震作用下的弹性变形验算以及大震作用下的弹塑性变形验算都是确定性的验算方法。另外，当前的抗震设计方法也不能考虑由于结构在地震作用下的低周疲劳所造成的累积损伤。事实上，单一的变形验算不一定完全能保证实现三水准的目标，因此，从建筑结构在地震作用下最直观的表现即损伤角度进行抗震设计也是自然而合理的。

尽管三水准两阶段的抗震设计方法在相当常的时期内仍将在指导工程抗震设计中发挥重要作用，但近年来世界上多次发生的地震灾害已经暴露出基于承载力的设计原理和方法的局限性。考虑到结构构造占建筑总体造价的比例越来越小，如何避免或减轻地震破坏所造成的经济损失已经成为抗震研究和设计的一个重要出发点，对地震作用下结构及其构件的位移及相关物理量进行基于可靠度的控制设计是减少经济损失的一种有效方法。

中国发明专利公开号为200610001006.6的专利申请文本公开了一种名称为“密肋结构体系及其连接施工工艺方法”的新型结构形式。密肋结构主要是由密肋复合墙板、楼板与外框架装配整浇而成。密肋复合墙板是以截面及配筋较小的钢筋混凝土为肋格，内嵌以炉渣、粉煤灰等工业废料为主要原料的加气硅酸盐砌块(或其它具有一定强度的轻质骨料)预制而成。在密肋复合墙体中，复合墙板不仅起围护、分隔空间和保温作用，而且与隐型框架一起承担结构的竖向及水平荷载。在水平荷载作用下，密肋复合墙板与外框架共同工作，两者相互约束，共同受力，充分发挥各自性能。

密肋复合墙结构具有多道抗震防线及耗能减震功能，可实现结构分阶段耗散地震能量，满足结构的不同性能目标及性能水准，实现了结构分灾控制设计，是一种理想的抗震结构新体系。密肋结构分阶段耗散能量是建立在三道抗震防线依次发挥作用的基础上，各道防线的破坏指标即成为结构不同性能水平的判断指标，因此，密肋结构与基于性能抗震设计理论的结合具有很好的条件。

本发明的目的在于结合密肋结构三道抗震防线和分阶段耗散地震能量的特点，建立基于动力可靠度的密肋结构的抗震控制设计方法。

发明内容

为了克服现有技术结构的不足，本发明提供一种密肋结构三道防线抗震控制设计方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种建筑结构的抗震控制设计方法，包括：

步骤1：结构设计，根据密肋结构体系的使用场所，选择各部件的组成形式；

步骤2：地震作用输入，根据功率谱密度函数表达式，确定多遇地震、基本设防烈度地震和罕遇地震的输入强度；

步骤3：结构计算模型的确定，即确定密肋结构弹性阶段的等效弹性板模型、弹塑性阶段的刚架斜压杆模型、破坏阶段的梁铰框架模型；

步骤4：可靠度计算，

方法1：采用位移的首次超越破坏准则，首先计算多遇地震强度下，等效弹性板模型超越层间位移角界限值1/800的可靠度；其次计算基本设防烈度地震强度下，刚架斜压杆模型超越层间位移角界限值1/300的可靠度；最后计算罕遇地震强度下，梁铰框架模型超越层间位移角界限值1/100的可靠度；

或方法2：采用基于累积损伤的破坏准则，首先计算多遇地震强度下，等效弹性板模型损伤指数超越界限值0.25的可靠度；其次计算基本设防烈度地震强度下，刚架斜压杆模型损伤指数超越界限值0.65的可靠度；最后计算罕遇地震强度下，梁铰框架模型损伤指数超越界限值0.95的可靠度；

步骤5：结构设计调整，若上述各项可靠度计算结果均在99.95％以上，则结构设计满足要求，否则返回步骤1，调整结构设计，直到其满足可靠度要求为止。

本发明与现有技术相比，具有以下有益效果：

采用更符合实际情况的随机地震动模型来考虑地震作用；将结构设计控制限值考虑为随机变量，应用动力可靠度理论进行结构设计；可将地震作用细化为多个水准，并可考虑结构参数的变异性。

使设计和建造的工程结构能在各种可能遇到的地震作用下，它的反应和破坏性态均在设计的预期范围内，不仅能确保生命安全，而且能确保经济损失最少，对地震反应和破坏进行了定量的控制设计。

附图说明

图1为本发明示意图。

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

具体实施方式

实施例1：如图1所示，基于动力可靠度的密肋结构三道防线抗震控制设计方法：

步骤1：结构设计

根据密肋结构体系的使用场所，选择各部件的组成形式，其中由型钢、型钢混凝土、钢筋混凝土梁、柱构成主体框架，主体框架内由截面及承载力较小的型钢、型钢混凝土、钢筋混凝土分割条划分出若干框格，形成网格空腔，网格空腔内为预制块材；

步骤2：地震作用

选定一种地面加速度功率谱作为输入地震作用，结合场地类别及设计地震分组，确定功率谱密度函数的各个参数值及地震动持时，根据抗震设防烈度及多遇地震、基本设防烈度地震、罕遇地震分别确定功率谱的输入强度；

步骤3：结构计算模型的确定

由于密肋结构的独特设计，使其具有三道抗震防线，故墙体的不同受力阶段即弹性阶段、弹塑性阶段、破坏阶段应采用不同的力学模型；根据结构设计参数，确定密肋结构弹性阶段的等效弹性板模型：在弹性阶段，墙体可视为一种以轻质砌块为基体，混凝土肋梁、肋柱、外框为增强纤维的复合材料等效弹性板，并可在双向纤维单层复合材料模型的基础上，给出墙体简化的各向同性计算模型；确定弹塑性阶段的刚架斜压杆模型：在弹塑性阶段，砌块可以用一个个沿砌块对角线放置的等效斜压杆来代替，将这一阶段墙体损伤的过程简化地视为斜压杆等效轴向刚度逐步衰减和混凝土框架逐步损伤的过程，从而将这一阶段的墙体简化为一个由钢筋混凝土刚架和与之铰接的砌块等效斜压杆组成的刚架斜压杆组合模型；确定破坏阶段的梁铰框架模型：在破坏阶段，假定混凝土框架的损伤全部集中在肋梁两端的塑性铰区，而框架其它部分仍然处于线弹性，相对于暗梁对外框柱和肋柱的约束程度，严重破损的肋梁对外框柱和肋柱几乎没有约束，在梁铰框架抗侧刚度的计算中可以不予考虑，而且，暗梁的线刚度相对较大，可以不考虑暗梁柱节点转动对柱抗侧刚度的影响；确定各模型动力计算的质量矩阵、刚度矩阵及阻尼矩阵；

步骤4：可靠度计算

方法1：以随机振动理论为依据对密肋结构进行动力计算，采用位移的首次超越破坏准则，首先计算多遇地震强度下，等效弹性板模型超越层间位移角界限值1/800的可靠度；其次计算基本设防烈度地震强度下，刚架斜压杆模型超越层间位移角界限值1/300的可靠度；最后计算罕遇地震强度下，梁铰框架模型超越层间位移角界限值1/100的可靠度；若上述三项可靠度计算结果均在99.95％以上，则结构设计满足要求，否则按步骤5进行调整。

方法2：以随机振动理论为依据对密肋结构进行动力计算，采用基于累积损伤的破坏准则，首先计算多遇地震强度下，等效弹性板模型损伤指数超越界限值0.25的可靠度；其次计算基本设防烈度地震强度下，刚架斜压杆模型损伤指数超越界限值0.65的可靠度；最后计算罕遇地震强度下，梁铰框架模型损伤指数超越界限值0.95的可靠度；若上述三项可靠度计算结果均在99.95％以上，则结构设计满足要求，否则按步骤5进行调整；

步骤5：结构设计调整

根据可靠度计算结果，返回步骤1，调整结构设计，再对其进行计算，直到其可靠度满足要求为止。

进一步地，可将地震作用从小震到大震划分为五个水准，相应的可靠度计算限值也可进一步细化为五个限值。

进一步地，确定结构计算模型时，可考虑结构参数的随机性，对随机结构受随机地震作用的可靠度进行计算。

实施例2：本发明提供了一种基于动力可靠度的密肋结构三道防线抗震控制设计方法：

步骤1：结构设计

根据密肋结构体系的使用场所，选择各部件的组成形式，其中由型钢、型钢混凝土、钢筋混凝土梁或柱构成主体框架，主体框架内由截面及承载力较小的型钢、型钢混凝土、钢筋混凝土分割条划分出若干框格，形成网格空腔，网格空腔内为预制块材；

步骤2：地震作用

选定一种地面加速度功率谱作为输入地震作用，结合场地类别及设计地震分组，确定功率谱密度函数的各个参数值及地震动持时，根据抗震设防烈度及多遇地震、基本设防烈度地震、罕遇地震分别确定功率谱的输入强度；

步骤3：结构计算模型的确定

由于密肋结构的独特设计，使其具有三道抗震防线，故墙体的不同受力阶段即弹性阶段、弹塑性阶段、破坏阶段应采用不同的力学模型；根据结构设计参数，确定密肋结构弹性阶段的等效弹性板模型：在弹性阶段，墙体可视为一种以轻质砌块为基体，混凝土肋梁、肋柱、外框为增强纤维的复合材料等效弹性板，并可在双向纤维单层复合材料模型的基础上，给出墙体简化的各向同性计算模型；确定弹塑性阶段的刚架斜压杆模型：在弹塑性阶段，砌块可以用一个个沿砌块对角线放置的等效斜压杆来代替，将这一阶段墙体损伤的过程简化地视为斜压杆等效轴向刚度逐步衰减和混凝土框架逐步损伤的过程，从而将这一阶段的墙体简化为一个由钢筋混凝土刚架和与之铰接的砌块等效斜压杆组成的刚架斜压杆组合模型；确定破坏阶段的梁铰框架模型：在破坏阶段，假定混凝土框架的损伤全部集中在肋梁两端的塑性铰区，而框架其它部分仍然处于线弹性，相对于暗梁对外框柱和肋柱的约束程度，严重破损的肋梁对外框柱和肋柱几乎没有约束，在梁铰框架抗侧刚度的计算中可以不予考虑，而且，暗梁的线刚度相对较大，可以不考虑暗梁柱节点转动对柱抗侧刚度的影响；确定结构的地震损伤模型及各模型动力计算的质量矩阵、刚度矩阵和阻尼矩阵；

步骤4：可靠度计算

方法1：以随机振动理论为依据对密肋结构进行动力计算，采用位移的首次超越破坏准则，首先计算多遇地震强度下，等效弹性板模型超越层间位移角界限值1/800的可靠度；其次计算基本设防烈度地震强度下，刚架斜压杆模型超越层间位移角界限值1/300的可靠度；最后计算罕遇地震强度下，梁铰框架模型超越层间位移角界限值1/100的可靠度；若上述三项可靠度计算结果均在99.95％以上，则结构设计满足要求，否则按步骤5进行调整；

其中可靠度计算按下式进行：

P_s(x_f＜1/800)≥99.95％，

P_s(x_b＜1/300)≥99.95％，

P_s(x_r＜1/100)≥99.95％，

x_f，x_b，x_r分别为多遇地震下等效弹性板模型，基本设防烈度地震下刚架斜压杆模型，罕遇地震下梁铰框架模型的位移值；P_s(·)为可靠度。

方法2：以随机振动理论为依据对密肋结构进行动力计算，采用基于累积损伤的破坏准则，首先计算多遇地震强度下，等效弹性板模型损伤指数超越界限值0.25的可靠度；其次计算基本设防烈度地震强度下，刚架斜压杆模型损伤指数超越界限值0.65的可靠度；最后计算罕遇地震强度下，梁铰框架模型损伤指数超越界限值0.95的可靠度；若上述三项可靠度计算结果均在99.95％以上，则结构设计满足要求，否则按步骤5进行调整；

其中可靠度计算按下式进行：

P_s(D_f＜0.25)≥99.95％，

P_s(D_b＜0.65)≥99.95％，

P_s(D_r＜0.95)≥99.95％，

D_f，D_b，D_r分别为多遇地震下等效弹性板模型，基本设防烈度地震下刚架斜压杆模型，罕遇地震下梁铰框架模型的损伤指数；P_s(·)为可靠度。

步骤5：结构设计调整

根据可靠度计算结果，返回步骤1，调整结构设计，再对其进行计算，直到其可靠度满足要求为止。

进一步地，可将地震作用从小震到大震划分为五个水准，相应的可靠度计算限值也可进一步细化为五个限值，如层间位移角限值可取以下五个值：1/800，1/400，1/300，1/200，1/100；损伤指数可取以下五个值：0.25，0.55，0.65，0.75，0.95。

进一步地，确定结构计算模型时，可考虑结构参数的随机性，对随机结构受随机地震作用的可靠度进行计算。

实施例3：本发明实施流程第一步为结构初步设计，第二步为随机地震作用输入，第三步为密肋结构多道抗震防线计算模型的确定，第四步为基于位移首次超越破坏准则的动力可靠度计算(计算指标：层间位移角)或基于累积损伤破坏准则的动力可靠度计算(计算指标：损伤指数)，第五步为结构设计调整，若满足可靠度要求则不进行调整，否则调整结构设计后，再按流程进行计算，直至满足可靠度要求为止。

Claims (4)

1.一种密肋结构三道防线抗震控制设计方法，其特征是包括：

步骤1：结构设计，根据密肋结构体系的使用场所，选择各部件的组成形式；

步骤2：地震作用输入，根据功率谱密度函数表达式，确定多遇地震、基本设防烈度地震和罕遇地震的输入强度；

步骤3：结构计算模型的确定，即确定密肋结构弹性阶段的等效弹性板模型、弹塑性阶段的刚架斜压杆模型、破坏阶段的梁铰框架模型；

步骤4：可靠度计算，

方法1：采用位移的首次超越破坏准则，首先计算多遇地震强度下，等效弹性板模型超越层间位移角界限值1/800的可靠度；其次计算基本设防烈度地震强度下，刚架斜压杆模型超越层间位移角界限值1/300的可靠度；最后计算罕遇地震强度下，梁铰框架模型超越层间位移角界限值1/100的可靠度；

或方法2：采用基于累积损伤的破坏准则，首先计算多遇地震强度下，等效弹性板模型损伤指数超越界限值0.25的可靠度；其次计算基本设防烈度地震强度下，刚架斜压杆模型损伤指数超越界限值0.65的可靠度；最后计算罕遇地震强度下，梁铰框架模型损伤指数超越界限值0.95的可靠度；

步骤5：结构设计调整，若上述各项可靠度计算结果均在99.95％以上，则结构设计满足要求，否则返回步骤1，调整结构设计，直到其可靠度满足要求为止。

2.根据权利要求1所述的一种密肋结构三道防线抗震控制设计方法，其特征是：结构计算模型的确定有如下步骤：

密肋结构具有三道抗震防线，故墙体的不同受力阶段即弹性阶段、弹塑性阶段、破坏阶段应采用不同的力学模型；根据结构设计参数，确定密肋结构弹性阶段的等效弹性板模型：在弹性阶段，墙体可视为一种以轻质砌块为基体，混凝土肋梁、肋柱、外框为增强纤维的复合材料等效弹性板，并可在双向纤维单层复合材料模型的基础上，给出墙体简化的各向同性计算模型；确定弹塑性阶段的刚架斜压杆模型：在弹塑性阶段，砌块可以用一个个沿砌块对角线放置的等效斜压杆来代替，将这一阶段墙体损伤的过程简化地视为斜压杆等效轴向刚度逐步衰减和混凝土框架逐步损伤的过程，从而将这一阶段的墙体简化为一个由钢筋混凝土刚架和与之铰接的砌块等效斜压杆组成的刚架斜压杆组合模型；确定破坏阶段的梁铰框架模型：在破坏阶段，假定混凝土框架的损伤全部集中在肋梁两端的塑性铰区，而框架其它部分仍然处于线弹性，相对于暗梁对外框柱和肋柱的约束程度，严重破损的肋梁对外框柱和肋柱几乎没有约束，在梁铰框架抗侧刚度的计算中可以不予考虑，而且，暗梁的线刚度相对较大，可以不考虑暗梁柱节点转动对柱抗侧刚度的影响；确定各模型动力计算的质量矩阵、刚度矩阵及阻尼矩阵。

3.根据权利要求1或2所述的一种密肋结构三道防线抗震控制设计方法，其特征是：以随机振动理论为依据对密肋结构进行动力计算，采用位移的首次超越破坏准则，首先计算多遇地震强度下，等效弹性板模型超越层间位移角界限值1/800的可靠度；其次计算基本设防烈度地震强度下，刚架斜压杆模型超越层间位移角界限值1/300的可靠度；最后计算罕遇地震强度下，梁铰框架模型超越层间位移角界限值1/100的可靠度；若上述三项可靠度计算结果均在99.95％以上，则结构设计满足要求，否则按步骤5进行调整；

其中可靠度计算按下式进行：

P_s(x_f＜1/800)≥99.95％，

P_s(x_b＜1/300)≥99.95％，

P_s(x_r＜1/100)≥99.95％，

x_f，x_b，x_r分别为多遇地震下等效弹性板模型，基本设防烈度地震下刚架斜压杆模型，罕遇地震下梁铰框架模型的位移值；P_s(·)为可靠度。

4.根据权利要求1或2所述的一种密肋结构三道防线抗震控制设计方法，其特征是：以随机振动理论为依据对密肋结构进行动力计算，采用基于累积损伤的破坏准则，首先计算多遇地震强度下，等效弹性板模型损伤指数超越界限值0.25的可靠度；其次计算基本设防烈度地震强度下，刚架斜压杆模型损伤指数超越界限值0.65的可靠度；最后计算罕遇地震强度下，梁铰框架模型损伤指数超越界限值0.95的可靠度；若上述三项可靠度计算结果均在99.95％以上，则结构设计满足要求，否则按步骤5进行调整；

其中可靠度计算按下式进行：

P_s(D_f＜0.25)≥99.95％，

P_s(D_b＜0.65)≥99.95％，

P_s(D_r＜0.95)≥99.95％，

D_f，D_b，D_r分别为多遇地震下等效弹性板模型，基本设防烈度地震下刚架斜压杆模型，罕遇地震下梁铰框架模型的损伤指数；P_s(·)为可靠度。