CN102787677B - 工程结构抗震烈度预测方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种土木工程领域中的工程结构抗震设计方法，尤其涉及一种性能化的抗震设计方法。本发明的工程结构抗震烈度预测方法，包括如下步骤：(1)采用分析方法获得工程结构的能力曲线；(2)按照弹塑性双折线模型，将工程结构的能力曲线标准化；(3)将结构整体的能力曲线转化成单自由度体系下获得位移与等效能力的函数；(4)根据设定的性能位移目标和烈度曲线，预测相应的地震烈度。本发明基于一种性能目标，评估工程结构的烈度水平，根据工程结构的评估结果设计抗震措施。

Description

工程结构抗震烈度预测方法

技术领域

本发明涉及一种土木工程领域中的工程结构抗震设计方法，尤其涉及一种性能化的抗震设计方法。

背景技术

抗震设计是确保在地震发生时结构安全的主要手段，各国工程抗震设计都是基于各国的抗震设计规范。

我国《建筑抗震设计规范》(GB50011-2010)5.2.1和5.2.2条规定在多遇地震作用下的地震作用计算，5.5.2条和5.5.3条分别规定在罕遇地震作用下弹塑性变形验算的范围和方法，但是这些方法都是基于设定地震烈度进行地震作用和变形验算的。

美国FEMA273采用多系数法估算结构位移，但其基础是在设定地震动参数的情况下完成的。美国ATC40和日本抗震规范都采用了能力谱法，能力谱也是基于设定地震动参数，才能得到性能点。

中国的抗震评估技术，如2010年11月10日公开的中国专利，公开号为CN101881089A，公开了一种钢管混凝土建筑物抗震性能评估方法及应用，其提供一种钢管混凝土建筑物的空间纤维梁的有限元模型，然后采用软件对所述有限元模型进行计算，通过获得的建筑物最大层间位移角，对钢管混凝土结构要求的最大层间位移角限值要求评估建筑物的抗震性能，根据建筑物抗震性能的评估结果设计建筑物的抗震措施。但工程结构抗震设计方法是基于设定烈度或地震动参数的条件下进行的，尚缺乏基于性能目标的抗震设计方法。

发明内容

本发明的技术效果能够克服上述缺陷，提供一种工程结构抗震烈度预测方法。其能够评估工程结构的烈度抗震能力。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：其包括如下步骤：

(1)采用分析方法获得工程结构的能力曲线；

(2)按照弹塑性双折线模型，将工程结构的能力曲线标准化；

(3)将结构整体的能力曲线转化成单自由度体系下获得位移与等效能力的函数；

(4)根据设定的性能位移目标和烈度曲线，预测相应的地震烈度。

本发明采用静力推覆分析方法(PUSHOVER)或增量动力分析方法(IDA)获得工程结构的能力曲线；将结构整体的能力曲线转化成单自由度体系下获得位移与等效能力的函数关系；根据设定的性能位移目标和烈度曲线，预测相应的地震烈度。

分析方法采用静力推覆分析法，静力推覆分析法中施加分布的水平荷载，水平荷载单调增加。分析方法采用增量动力分析法，增量动力分析法中，逐级提高地震输入水平，至工程结构达到破坏状态。工程构件包括框架结构、或剪力墙结构、或框架-剪力墙结构、或框支剪力墙结构、或筒中筒结构、或框架-核心筒结构。工程构件包括简支板梁桥、或悬臂梁桥、或连续梁桥、或T形刚架桥、或吊桥、或斜拉桥、或悬索桥、或组合体系桥。工程构件包括电视塔、或储油罐、或塔架、或仓库、或水塔、或水池、或烟囱、或隧道、或水坝。

本发明基于一种性能目标，评估工程结构的烈度水平，根据工程结构的评估结果设计抗震措施。

附图说明

图1为本发明的能力曲线示意图；

图2为本发明的能力曲线标准化示意图；

图3为单自由度体系下位移与等效能力的函数关系图；

图4为设定性能位移目标的地震烈度预测示意图。

具体实施方式

本发明的方法包括如下步骤：

(1)采用分析方法获得工程结构的能力曲线；

(2)按照弹塑性双折线模型，将工程结构的能力曲线标准化；

(3)将结构整体的能力曲线转化成单自由度体系下获得位移与等效能力的函数；

(4)根据设定的性能位移目标和烈度曲线，预测相应的地震烈度。

1、采用静力推覆分析方法(PUSHOVER)或增量动力分析方法(IDA)获得工程结构的能力曲线。

采用静力推覆分析(PUSHOVER)，对结构施加某种分布的水平荷载，水平荷载单调增加；或采用增量动力分析(IDA)，逐级提高地震动输入水平，构件逐步屈服，至工程结构达到破坏状态，得到结构在逐级加载下的弹塑性反应，获得工程结构的能力曲线(见图1)。

2、按照弹塑性双折线模型考虑，将工程结构的能力曲线标准化。

设能力(剪力)一位移曲线包围的面积为A，由折线所围面积与曲线所围面积相等(见图2)，图2中参数计算如下：

$V_y=\frac{{2k}_1{A}_0-k_1{V}_m{u}_m}{k_1{u}_m-V_m}---\left(1\right)$

式中，V_y-双折线模型的屈服剪力；k₁-双折线模型的第一刚度系数；A₀-双折线模型包围的面积。

$u_y=\frac{V_y}{k_1}---\left(2\right)$

式中，U_y-双折线模型的屈服位移。

$k_2=\frac{V_m-V_y}{u_m-u_y}---\left(3\right)$

式中，k₂-双折线模型的第二刚度系数；um-双折线模型的最大位移；Vm-双折线模型的最大位移对应的剪力。

3、将结构整体的能力曲线转化成单自由度体系下获得位移与等效能力的函数关系。

(1)计算振型参与系数

${\mathrm{\γ}}_j=\frac{\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\φ}}_{i,j}{G}_i}{\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\φ}}_{i,j}^2{G}_i}---\left(4\right)$

其中，γ_j—第j阶振型参与系数；φ_i,j—第i质点第j阶振型，G_i—第i质点重力荷载代表值。

(2)等效振型

${\mathrm{\φ}}_{i,\mathrm{eq}}=\sqrt{\underset{j=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{\left({\mathrm{\φ}}_{i,j}{\mathrm{\γ}}_j\right)}^2}---\left(5\right)$

其中，φ_i,eq-多自由度第i质点等效振型。

(3)等效模态参与系数和等效模态质量

${\mathrm{\Γ}}_{\mathrm{eq}}=\frac{\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{m}_i{\mathrm{\φ}}_{i,\mathrm{eq}}}{\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{m}_i{\mathrm{\φ}}_{i,\mathrm{eq}}^2}$ 式中，Γ_eq-等效模态参与系数。                  (6)

$M_{\mathrm{eq}}=\frac{{\left(\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{m}_i{\mathrm{\φ}}_{i,\mathrm{eq}}\right)}^2}{\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{m}_i{\mathrm{\φ}}_{i,\mathrm{eq}}^2}$ 式中，M_eq-等效模态质量。                         (7)

(4)单自由度体系下的位移与等效能力

$S_d=u_{\mathrm{eq}}=\frac{1}{{\mathrm{\Γ}}_{\mathrm{eq}}}u$ 式中，u-结构位移。                               (8)

$V_{\mathrm{eq}}=\frac{1}{{\mathrm{\Γ}}_{\mathrm{eq}}^2}V---\left(9\right)$

式中，V_eq-单自由度体系下的等效基底剪力；V-结构基底剪力。

式中，Sa-单位质量下的等效基底剪力系数        (10)

$\mathrm{\α}=\frac{S_a}{g}---\left(11\right)$

其中，S_d，u_eq-单自由度体系下的位移；S_a，α-单自由度体系下的位移等效能力，绘制单自由度体系下位移与等效能力的函数关系，见图3。

4、根据设定的性能位移目标和烈度曲线，预测相应的地震烈度。

(1)地震影响系数曲线转换成谱加速度与谱位移格式

将《建筑抗震设计规范》(GB50011-2010)不同多遇地震烈度下的地震影响系数曲线转换成谱加速度与谱位移格式，转换格式如下：

$S_d={\left(\frac{2\mathrm{\π}}{T}\right)}^2{S}_a={\left(\frac{2\mathrm{\π}}{T}\right)}^2\mathrm{\αg}$

(2)弹性阶段地震影响系数曲线

$\mathrm{\&alpha;}\left(g\right)=\left\{\begin{array}{cc}(0.45+\frac{{\mathrm{\&eta;}}_2-0.45}{0.4}T){\mathrm{\&alpha;}}_{\max }& T\&le;0.1s\\ {\mathrm{\&eta;}}_2{\mathrm{\&alpha;}}_{\max }& 0.1s<T\&le;T_g\\ {\left(\frac{T_g}{T}\right)}^{\mathrm{\&gamma;}}{\mathrm{\&eta;}}_2{\mathrm{\&alpha;}}_{\max }& T_g<T{5T}_g\\ [{\mathrm{\&eta;}}_2{0.2}^{\mathrm{\&gamma;}}-{\mathrm{\&eta;}}_1\left({T-5T}_g\right)]{\mathrm{\&alpha;}}_{\max }& {5T}_g<T\&le;6.0s\end{array}\right.---\left(12\right)$

式中：α—地震影响系数；α_max—地震影响系数最大值；η₁—直线下降段的下降斜率调整系数，弹性阶段取1；γ—衰减指数，弹性阶段取0.9；T_g—特征周期；η₂—阻尼调整系数，弹性阶段取1；T—结构的基本周期。

(3)塑性阶段地震影响系数曲线

计算延性系数

$\mathrm{\&mu;}=\frac{S_{\mathrm{po}}}{S_y}---\left(13\right)$

式中，μ-延性系数；S_po-设定的单自由度体系下的性能目标值。

计算相应的阻尼比

$\mathrm{\&zeta;}={\mathrm{\&zeta;}}_0+\frac{1}{\mathrm{\&pi;}}[1-\frac{1}{\sqrt{\mathrm{\&mu;}}}(1+\mathrm{\&beta;\&mu;}-\mathrm{\&beta;})]---\left(14\right)$

其中ζ—阻尼比，β—后屈服刚度与初始刚度之比；ζ₀-结构初始阻尼比，根据不同结构确定。地震影响系数公式(12)计算，但以下系数根据阻尼进行调整：

$\mathrm{\&gamma;}=0.9+\frac{0.05-\mathrm{\&zeta;}}{0.3+6\mathrm{\&zeta;}}---\left(15\right)$

${\mathrm{\&eta;}}_1=0.02+\frac{0.05-\mathrm{\&zeta;}}{4+32\mathrm{\&zeta;}}---\left(16\right)$

${\mathrm{\&eta;}}_2=1+\frac{0.05-\mathrm{\&zeta;}}{0.08+1.6\mathrm{\&zeta;}}---\left(17\right)$

(4)将不同烈度下的弹性与塑性的地震影响系数(谱加速度)与谱位移，绘制于单自由度体系下位移与等效能力的函数关系图中，根据性能位移目标，可预测相应的烈度水平，见图4。

Claims (8)

1.一种工程结构抗震烈度预测方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)采用分析方法获得工程结构的能力曲线；

(2)按照弹塑性双折线模型，将工程结构的能力曲线标准化；

(3)将结构整体的能力曲线转化成单自由度体系下获得位移与等效能力的函数；

(4)根据设定的性能位移目标和烈度曲线，预测相应的地震烈度。

2.根据权利要求1所述的工程结构抗震烈度预测方法，其特征在于，分析方法采用静力推覆分析法。

3.根据权利要求2所述的工程结构抗震烈度预测方法，其特征在于，静力推覆分析法中施加分布的水平荷载，水平荷载单调增加。

4.根据权利要求1所述的工程结构抗震烈度预测方法，其特征在于，分析方法采用增量动力分析法。

5.根据权利要求4所述的工程结构抗震烈度预测方法，其特征在于，增量动力分析法中，逐级提高地震输入水平，至工程结构达到破坏状态。

6.根据权利要求3或5所述的工程结构抗震烈度预测方法，其特征在于，工程构件包括框架结构、或剪力墙结构、或框架-剪力墙结构、或框支剪力墙结构、或筒中筒结构、或框架-核心筒结构。

7.根据权利要求3或5所述的工程结构抗震烈度预测方法，其特征在于，工程构件包括简支板梁桥、或悬臂梁桥、或连续梁桥、或T形刚架桥、或吊桥、或斜拉桥、或悬索桥、或组合体系桥。

8.根据权利要求3或5所述的工程结构抗震烈度预测方法，其特征在于，工程构件包括电视塔、或储油罐、或塔架、或仓库、或水塔、或水池、或烟囱、或隧道、或水坝。