CN103161348A - 工程结构多目标性能化抗震评估方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种工程结构抗震评估方法。本发明的工程结构多目标性能化抗震评估方法，包括如下步骤：(1)规定工程结构达到的性能目标；(2)将不同的性能目标输入到单自由度弹塑性结构体系进行模拟试验；(3)不断调整地震波的大小，确定达到不同性能目标下结构性能地震需求和结构周期的函数关系；(4)将单自由度体系下的结构性能地震需求谱曲线转换成结构整体的性能地震需求谱曲线；(5)运用分析方法获得工程结构的底部剪力与位移的关系，获得结构整体的能力谱曲线；(6)根据结构周期，比较结构整体坐标系下结构性能地震需求谱曲线与能力谱曲线的关系，评估不同性能目标下的结构抗震性能。本发明根据工程结构的评估结果设计抗震措施。

Description

工程结构多目标性能化抗震评估方法

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评估方法，尤其涉及一种性能化的抗震评估方法。

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。但工程结构抗震评估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评估方法。

发明内容

本发明的技术效果能够克服上述缺陷，提供一种工程结构多目标性能化抗震评估方法，在由结构性能需求等效剪力与性能目标为坐标轴的结构整体坐标系内，评估不同性能目标下的结构抗震能力。

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)规定工程结构达到的性能目标；

(2)将不同的性能目标输入到单自由度弹塑性结构体系进行模拟试验；

(3)不断调整地震波的大小，确定达到不同性能目标下结构性能地震需求和结构周期的函数关系，获得在单自由度体系下的结构性能地震需求谱曲线，进行位移角转换、并进行扭转、P-Δ效应、竖向不规则、平面不规则、构造要求调整；

(4)将单自由度体系下的结构性能地震需求谱曲线转换成结构整体的性能地震需求谱曲线；

(5)运用分析方法获得工程结构的底部剪力与位移的关系，获得结构整体的能力谱曲线；

(6)根据结构周期，比较结构整体坐标系下结构性能地震需求谱曲线与能力谱曲线的关系，评估不同性能目标下的结构抗震性能。

首先规定结构达到的性能目标，可采用顶点位移角或层间最大位移角表达。将不同的性能目标输入到单自由度弹塑性结构体系进行模拟试验，不断调整地震波的大小，确定达到不同性能目标下结构性能地震需求(地震影响系数或谱加速度)和结构周期的函数关系，获得在单自由度体系下的结构性能地震需求谱曲线，转换成结构整体的性能地震需求谱曲线，绘制在由结构性能需求等效剪力与性能目标为坐标轴的结构整体坐标系内；运用分析方法获得工程结构的底部剪力与位移的关系，将结构的底部剪力与位移的关系转化成结构能力谱曲线，根据结构周期，比较结构整体坐标系下结构性能地震需求谱曲线与能力谱曲线的关系，评估不同性能目标下的结构抗震性能。

性能目标可包括位移角、速度、加速度。

分析方法采用静力推覆分析法或增量动力分析法。工程结构包括框架结构、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。工程结构包括简支板梁桥、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。工程结构包括电视塔、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，结构抗震评估方法，评估工程结构的抗震性能，根据工程结构的评估结果设计抗震措施。

附图说明

图1为本发明的性能目标下结构能力谱曲线与结构性能地震需求谱曲线的关系比较示意图。

具体实施方式

本发明的设计方法包括如下步骤：

(1)规定工程结构达到的性能目标，例如位移(位移角)、速度、加速度；

(2)将不同的性能目标输入到单自由度弹塑性结构体系进行模拟试验，例如地震波输入的动力时程分析数值模拟试验或地震振动台模拟试验；

(3)不断调整地震波的大小，确定达到不同性能目标下结构性能地震需求(地震影响系数或谱加速度)和结构周期的函数关系，获得在单自由度体系下的结构性能地震需求谱曲线，进行位移角转换、并进行扭转、P-Δ效应、竖向不规则、平面不规则、构造要求调整；

(4)将单自由度体系下的结构性能地震需求谱曲线转换成结构整体的性能地震需求谱曲线；

(5)运用分析方法获得工程结构的底部剪力与位移的关系，获得结构整体的能力谱曲线；

(6)根据结构周期，比较结构整体坐标系下结构性能地震需求谱曲线与能力谱曲线的关系，评估不同性能目标下的结构抗震性能。

1.确定结构达到的性能目标：

从控制结构破坏考虑，参考中国、美国、欧洲和日本等规范确定性能目标的关键参数，以及中外实验数据，根据不同结构确定量化的位移角参数。例如，钢筋混凝土框架结构可按表1设置。当采用最大层间位移角时，可转换成为顶点位移角。

表1.位移性能目标

2.不同性能目标下地震影响系数和结构周期的函数关系：

将不同的性能目标输入到单自由度弹塑性结构体系，不断调整地震波的大小，确定达到不同性能目标下结构性能地震需求(地震影响系数或谱加速度)和结构周期的函数关系，进行位移角转换、并进行扭转、P-Δ效应、竖向不规则、平面不规则、构造要求调整。

3.确定结构整体的性能地震需求与位移角的函数关系：

(1)计算结构等效模态参与系数和等效模态质量

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

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。

计算等效振型

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

其中，φ_i，eq-多自由度第i质点等效振型；m-振型数，简化计算时，振型数m＝1。

计算结构等效模态参与系数和等效模态质量

${\mathrm{\Γ}}_{\mathrm{eq}}=\frac{\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{m}_i{\mathrm{\φ}}_{i,\mathrm{eq}}}{\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{m}_i{\mathrm{\φ}}_{i,\mathrm{eq}}^2}---\left(3\right)$

$M_{\mathrm{eq}}=\frac{{\left(\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{m}_i{\mathrm{\φ}}_{i,\mathrm{eq}}\right)}^2}{\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{m}_i{\mathrm{\φ}}_{i,\mathrm{eq}}^2}---\left(4\right)$

(2)确定结构整体坐标系下的结构性能地震需求与位移角的函数关系

u＝Γ_eqS_d＝Γ_equ_eq                                       (5)

S_a＝αg                                                  (6)

V_eq＝M_eqS_a                                               (7)

$V={\mathrm{\Γ}}_{\mathrm{eq}}^2{V}_{\mathrm{eq}}---\left(8\right)$

其中，S_d，u_eq-单自由度体系下的位移(位移角)；S_a，α-单自由度体系下的谱加速度或地震影响系数；u-结构整体坐标系下的位移(位移角)；V-结构整体坐标系下的结构性能需求等效剪力。

4.确定工程结构的底部剪力与位移的函数关系：

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，得到结构在逐级加载下的底部剪力与弹塑性位移反应的函数关系，获得工程结构的能力谱曲线。

5.结构整体坐标系下结构性能地震需求谱曲线与结构能力谱曲线的比较：

(1)确定结构性能地震需求谱：

根据结构周期，确定达到不同性能目标下结构性能需求等效剪力和性能目标的函数关系，绘制在由结构性能需求等效剪力与性能目标为坐标轴的结构整体坐标系内，见附图1。

(2)确定结构能力谱：

确定结构在逐级加载下的底部剪力与弹塑性位移反应的函数关系，获得结构能力谱曲线绘制由结构底部剪力与性能目标为坐标轴的结构整体坐标系内，见附图1。

(3)性能目标下结构能力谱曲线与结构性能地震需求谱曲线的关系比较：

比较结构整体坐标系下结构性能地震需求谱曲线与能力谱曲线的关系，评估不同性能目标下的结构抗震性能，见附图1。

Claims (7)

1.一种工程结构多目标性能化抗震评估方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)规定工程结构达到的性能目标；

(2)将不同的性能目标输入到单自由度弹塑性结构体系进行模拟试验；

(3)不断调整地震波的大小，确定达到不同性能目标下结构性能地震需求和结构周期的函数关系，获得在单自由度体系下的结构性能地震需求谱曲线，进行位移角转换、并进行扭转、P-Δ效应、竖向不规则、平面不规则、构造要求调整；

(4)将单自由度体系下的结构性能地震需求谱曲线转换成结构整体的性能地震需求谱曲线；

(5)运用分析方法获得工程结构的底部剪力与位移的关系，获得结构整体的能力谱曲线；

(6)根据结构周期，比较结构整体坐标系下结构性能地震需求谱曲线与能力谱曲线的关系，评估不同性能目标下的结构抗震性能。

2.根据权利要求1所述的工程结构多目标性能化抗震评估方法，其特征在于，步骤(5)中的分析方法采用静力推覆分析法。

3.根据权利要求1所述的工程结构多目标性能化抗震评估方法，其特征在于，步骤(5)中的分析方法采用增量动力分析法。

4.根据权利要求2或3所述的工程结构多目标性能化抗震评估方法，其特征在于，工程结构包括框架结构、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。

5.根据权利要求2或3所述的工程结构多目标性能化抗震评估方法，其特征在于，工程结构包括简支板梁桥、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。

6.根据权利要求2或3所述的工程结构多目标性能化抗震评估方法，其特征在于，工程结构包括电视塔、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。

7.根据权利要求2或3所述的工程结构多目标性能化抗震评估方法，其特征在于，性能目标包括位移角、速度、加速度。

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