CN108446444B - 基于性能水准的多模态性能化抗震设计方法 - Google Patents

基于性能水准的多模态性能化抗震设计方法 Download PDF

Info

Publication number
CN108446444B
CN108446444B CN201810144581.4A CN201810144581A CN108446444B CN 108446444 B CN108446444 B CN 108446444B CN 201810144581 A CN201810144581 A CN 201810144581A CN 108446444 B CN108446444 B CN 108446444B
Authority
CN
China
Prior art keywords
seismic
earthquake
modal
structural
performance
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN201810144581.4A
Other languages
English (en)
Other versions
CN108446444A (zh
Inventor
刘文锋
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Qindao University Of Technology
Original Assignee
Qindao University Of Technology
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Qindao University Of Technology filed Critical Qindao University Of Technology
Priority to CN201810144581.4A priority Critical patent/CN108446444B/zh
Publication of CN108446444A publication Critical patent/CN108446444A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN108446444B publication Critical patent/CN108446444B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
    • G06F30/00—Computer-aided design [CAD]
    • G06F30/10—Geometric CAD
    • G06F30/13—Architectural design, e.g. computer-aided architectural design [CAAD] related to design of buildings, bridges, landscapes, production plants or roads
    • E—FIXED CONSTRUCTIONS
    • E04—BUILDING
    • E04H—BUILDINGS OR LIKE STRUCTURES FOR PARTICULAR PURPOSES; SWIMMING OR SPLASH BATHS OR POOLS; MASTS; FENCING; TENTS OR CANOPIES, IN GENERAL
    • E04H9/00—Buildings, groups of buildings or shelters adapted to withstand or provide protection against abnormal external influences, e.g. war-like action, earthquake or extreme climate
    • E04H9/02—Buildings, groups of buildings or shelters adapted to withstand or provide protection against abnormal external influences, e.g. war-like action, earthquake or extreme climate withstanding earthquake or sinking of ground
    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
    • G06F30/00—Computer-aided design [CAD]
    • G06F30/20—Design optimisation, verification or simulation
    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
    • G06F2119/00—Details relating to the type or aim of the analysis or the optimisation
    • G06F2119/06—Power analysis or power optimisation

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Geometry (AREA)
  • Architecture (AREA)
  • Theoretical Computer Science (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Computer Hardware Design (AREA)
  • Business, Economics & Management (AREA)
  • Evolutionary Computation (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Civil Engineering (AREA)
  • Structural Engineering (AREA)
  • Emergency Management (AREA)
  • Environmental & Geological Engineering (AREA)
  • Computational Mathematics (AREA)
  • Mathematical Analysis (AREA)
  • Mathematical Optimization (AREA)
  • Pure & Applied Mathematics (AREA)
  • Buildings Adapted To Withstand Abnormal External Influences (AREA)

Abstract

本发明涉及抗震设计技术领域,具体涉及一种基于性能水准的多模态性能化抗震设计方法，该方法直接基于量化的性能水准进行抗震设计方法，基于性能水准的抗震设计方法是以最终的破坏状态作为抗震设计的基础，因此，无论是否发生超设防烈度(地震动参数)地震，都能控制结构的抗震性能。显然，本申请发明专利比传统的基于设防烈度(地震动参数)的性能化抗震设计更加科学，能控制结构的抗震行为。

Description

基于性能水准的多模态性能化抗震设计方法
技术领域
本发明涉及抗震设计技术领域,具体涉及一种基于性能水准的多模态性能化抗震设计方法。
背景技术
中国抗震规范(GB 50011－2016)是以抗震烈度(地震动参数)进行抗震设计。采用50 年超越概率为10％、63％和2％的地震烈度分别是小震、中震和大震烈度，按照三水准设防：即小震不坏、中震可修、大震不倒。采用两阶段法，第一阶段为弹性设计，第二阶段为弹塑性设计：第一阶段是在小震作用下采用弹性设计，基于二维弹性地震反应谱，采用振型分解法或底部剪力法计算地震作用，计算小震结构位移，与重力等其他荷载组合后，求解结构内力；第二阶段验证大震下的弹塑性变形，要求结构变形不超过规范所规定的变形限值来满足大震不倒的要求，对特定结构，基于二维弹性地震反应谱，可采用简化方法，计算大震结构位移。
美国ASCE7，IBC基于两水准设防转换，将最大应考虑地震(对应中国规范中的“大震”) 的2/3转换为设计地震(对应中国规范中的“中震”)，采用单一阶段设计，进行强度抗震验算，假定结构处于弹塑性工作状态，基于反应谱采用静力设计的底部剪力法(等效侧向力法) 和动力设计的振型分解法，通过结构调整系数R考虑不同结构类型的延性性能，将设计地震作用折算为弹性范围，进行内力承载力验算和位移计算；采用结构位移放大系数Cd换算为弹塑性变形，来验算结构刚度和是否作P-Δ分析。欧洲抗规与美国类似，设计地震作用折算是通过性能系数q，在设计反应谱内以q的显函数形式呈现，进行内力承载力验算和位移计算；采用结构位移放大系数qe计算弹塑性变形。
以上事实表明，中国、美国、欧洲规范都是采用设防烈度(地震动参数)下的设计反应谱，进行性能化抗震设计的。然而，唐山(中国,1976)、Northridge(美国,1994)、Kobe(日本,1995)、集集(中国台湾,1999)、Sumatra-Andaman(印度尼西亚,2004)、Peru(秘鲁,2007)、汶川(中国,2008)、Port-au-Prince(海地,2010)、Concepcion(智利,2010)、玉树(中国,2010)、日本东北太平洋海域(日本,2011)等地震，已明显超出了规范的设防烈度(地震动参数)。采用防烈度(地震动参数)进行抗震设计，由于设防烈度(地震动参数)与最终的破坏状态的关联性是模糊的，在发生超设防烈度(地震动参数)地震时，工程的破坏程度无法把握。因此，基于设防烈度(地震动参数)的性能化抗震设计需要改进。
发明内容
针对上述技术问题，本发明提出一种基于性能水准的多模态性能化抗震设计方法，该方法直接基于量化的性能水准进行抗震设计，比传统的基于设防烈度(地震动参数)的性能化抗震设计更加科学，能控制结构的抗震行为。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：基于性能水准的多模态性能化抗震设计方法，包括如下步骤，
S1.根据抗震规范，结合实际需要设定所设计结构的抗震性能水准；
S2.根据所设计结构，计算不同模态振型下结构周期、模态振型和模态参与系数；
S3.对于任意反应量，计算不同模态振型的贡献系数，设定贡献阈值ε，求解需要模态振型的个数；
S4.设定第一结构周期为标准单自由度弹塑性结构体系，以标准单自由度弹塑性结构体系为基础合成结构抗震响应效应；
S5.令结构抗震响应效应等于设定结构的抗震性能水准，得到标准单自由度弹塑性结构体系下的抗震性能水准；
S6.按照抗震设计场地地震环境特征，选出一组地震动记录，输入到标准单自由度弹塑性结构体系中进行弹塑性动力时程分析，得到地震动记录加速度峰值的最小值、均值和最大值，标准单自由度弹塑性结构体系的地震响应绝对加速度峰值的最小值、均值和最大值；
S7.根据标准单自由度弹塑性结构体系的地震响应绝对加速度峰值的最小值、均值和最大值，计算抗震性能水准下结构抗震响应效应的最小值rmin、均值rave和最大值rmax。
进一步地，所述性能水准指标和结构抗震响应效应包括内力、位移、变形、应变、延性、能量和曲率。
进一步地，在所述步骤S2中，采用动力特征方程对设计结构进行动力特征分析，动力特征方程为，
其中，k为结构本身的刚度矩阵，为第n阶模态振型的振型，ωn为第n阶模态振型的结构频率，则第n阶模态振型的结构周期第n阶模态振型的振型参与系数 其中N为结构模态振型总阶数，也为模态振型的总数；mj为结构第j层的质量；为结构第j层的模态振型。
进一步地，在所述步骤S4中，采用平方和开平方法或者完全二次组合法，合成结构抗震响应效应。
进一步地，在所述步骤S6中，所述地震环境特征包括地震震级、断层机制、断层距和场地条件。
进一步地，在所述步骤S6中，将选出的地震动记录输入到标准单自由度弹塑性结构体系中进行弹性动力时程分析之前，反复调整地震动记录的大小，使得标准单自由度弹塑性结构体系的位移反应峰值达到标准单自由度弹塑性结构体系的抗震性能水准。
进一步地，在所述步骤S7中，采用平方和开平方法或完全二次组合法计算抗震性能水准下结构抗震响应效应的最小值rmin、均值rave和最大值rmax。
本发明的基于性能水准的多模态性能化抗震设计方法，该方法直接基于量化的性能水准进行抗震设计方法，基于性能水准的抗震设计方法是以最终的破坏状态作为抗震设计的基础，因此，无论是否发生超设防烈度(地震动参数)地震，都能控制结构的抗震性能。显然，本申请发明专利比传统的基于设防烈度(地震动参数)的性能化抗震设计更加科学，能控制结构的抗震行为。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行 进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本 发明。
本发明的基于性能水准的多模态性能化抗震设计方法，包括如下步骤，
S1.根据抗震规范，结合实际需要设定所设计结构的抗震性能水准；
结构抗震性能水准，是指结构在某一特定的设防地震作用下可能达到的最大破坏程度。
所述性能水准指标包括力、位移、变形、应变、延性、能量和曲率，在本实施例中，选用位移，根据抗震规范，结合实际需要设定所设计结构达到的位移为Dper。
S2.根据所设计结构，计算不同模态振型下结构周期、模态振型和模态参与系数；
在步骤S2中，根据动力特征方程求解不同模态振型下结构周期、模态振型和模态参与系数，动力特征方程为：
其中，k为结构本身的刚度矩阵，为第n阶模态振型的振型，ωn为第n阶模态振型的结构频率，则第n阶模态振型的结构周期第n阶模态振型的振型参与系数 其中N为结构模态振型总阶数，也为模态振型的总数；mj为结构第j层的质量；为结构第j层的模态振型。
S3.对于任意反应量，计算不同模态振型的贡献系数，设定贡献阈值ε，求解需要模态振型的个数；
设由外力S引起结构r的静力值为rst，则第n阶模态振型下的静力值设第n阶模态振型对rst的贡献量为
求解得到需要模态振型的个数。
S4.设定第一结构周期为标准单自由度弹塑性结构体系，以标准单自由度弹塑性结构体系为基础合成结构抗震响应效应；
对应步骤S1中，选取的抗震性能水准为位移，此处的结构抗震响应效应也选为位移。
第n阶模态振型下的静力值为则第n阶模态振型下的位移为
其中，San和Sa1分别为设计地震加速度反应谱第n结构周期的谱值；
令则
在所述步骤S4中，采用平方和开平方法或者完全二次组合法，合成结构抗震响应效应，即位移。
其中，平方和开平方：
其中，完全二次组合法：
ρin为振型偶联系数，
其中，ζi、ζn分别为第i个和第n个振型的阻尼比，ρin为第i个结构频率与第n个结构频率的相关系数，λT为第i个结构频率与第n个结构频率的比值。
S5.令结构抗震响应效应等于设定结构的抗震性能水准，得到标准单自由度弹塑性结构体系下的抗震性能水准；即令
r(t)＝Dper
求解标准单自由度弹塑性结构体系下的抗震性能水准位移。
S6.按照抗震设计场地地震环境特征，选出一组地震动记录，输入到标准单自由度弹塑性结构体系中进行弹塑性动力时程分析，得到地震动记录加速度峰值的最小值Amin、均值Aave和最大值Amax，计算标准单自由度弹塑性结构体系的地震加速度反应谱的最小值Smin、均值Save和最大值Smax。
其中，地震环境特征包括地震震级、断层机制、断层距和场地条件。
所述步骤S6中，将选出的地震动记录输入到标准单自由度弹塑性结构体系中进行弹性动力时程分析之前，反复调整地震动记录的大小，使得标准单自由度弹塑性结构体系的位移反应峰值达到标准单自由度弹塑性结构体系的抗震性能水准。
S7.根据标准单自由度弹塑性结构体系的地震响应绝对加速度峰值的最小值、均值和最大值，计算抗震性能水准下结构抗震响应效应的最小值rmin、均值rave和最大值rmax。
在所述步骤S7中，采用平方和开平方法或完全二次组合法计算抗震性能水准下结构抗震响应效应的最小值rmin、均值rave和最大值。
其中，平方和开平方法：
其中，完全二次组合法：
在本实施例中，采用的抗震性能水准和结构抗震响应效应为位移，当然本领域的技术人员也可以采用其他的性能水准，如力、变形、应变、延性、能量和曲率等。
本发明的基于性能水准的多模态性能化抗震设计方法，该方法直接基于量化的性能水准进行抗震设计方法，基于性能水准的抗震设计方法是以最终的破坏状态作为抗震设计的基础，因此，无论是否发生超设防烈度(地震动参数)地震，都能控制结构的抗震性能。显然，本申请发明专利比传统的基于设防烈度(地震动参数)的性能化抗震设计更加科学，能控制结构的抗震行为。
应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (7)

1.基于性能水准的多模态性能化抗震设计方法，其特征在于，包括如下步骤，
S1.根据抗震规范，结合实际需要设定所设计结构的抗震性能水准；
S2.根据所设计结构，计算不同模态振型下结构周期、模态振型和振型参与系数；
S3.对于任意反应量，计算不同模态振型的贡献系数，设定贡献阈值ε，求解需要模态振型的个数；
S4.设定第一结构周期为标准单自由度弹塑性结构体系，以标准单自由度弹塑性结构体系为基础合成结构抗震响应效应；
S5.令结构抗震响应效应等于设定结构的抗震性能水准，得到标准单自由度弹塑性结构体系下的抗震性能水准；
S6.按照抗震设计场地地震环境特征，选出一组地震动记录，输入到标准单自由度弹塑性结构体系中进行弹塑性动力时程分析，得到地震动记录加速度峰值的最小值、均值和最大值，标准单自由度弹塑性结构体系的地震响应绝对加速度峰值的最小值、均值和最大值；
S7.根据标准单自由度弹塑性结构体系的地震响应绝对加速度峰值的最小值、均值和最大值，计算抗震性能水准下结构抗震响应效应的最小值rmin、均值rave和最大值rmax。
2.根据权利要求1所述的基于性能水准的多模态性能化抗震设计方法，其特征在于，所述性能水准指标和结构抗震响应效应包括内力、位移、变形、应变、延性、能量和曲率。
3.根据权利要求2所述的基于性能水准的多模态性能化抗震设计方法，其特征在于，在所述步骤S2中，采用动力特征方程对设计结构进行动力特征分析，动力特征方程为，
其中，k为结构本身的刚度矩阵，为第n阶模态振型的振型，ωn为第n阶模态振型的结构频率，则第n阶模态振型的结构周期第n阶模态振型的振型参与系数 其中N为结构模态振型总阶数，也为模态振型的总数；mj为结构第j层的质量；为结构第j层的模态振型。
4.根据权利要求3所述的基于性能水准的多模态性能化抗震设计方法，其特征在于，在所述步骤S4中，采用平方和开平方法或者完全二次组合法，合成结构抗震响应效应。
5.根据权利要求4所述的基于性能水准的多模态性能化抗震设计方法，其特征在于，在所述步骤S6中，所述地震环境特征包括地震震级、断层机制、断层距和场地条件。
6.根据权利要求5所述的基于性能水准的多模态性能化抗震设计方法，其特征在于，在所述步骤S6中，将选出的地震动记录输入到标准单自由度弹塑性结构体系中进行弹性动力时程分析之前，反复调整地震动记录的大小，使得标准单自由度弹塑性结构体系的位移反应峰值达到标准单自由度弹塑性结构体系的抗震性能水准。
7.根据权利要求6所述的基于性能水准的多模态性能化抗震设计方法，其特征在于，在所述步骤S7中，采用平方和开平方法或完全二次组合法计算抗震性能水准下结构抗震响应效应的最小值rmin、均值rave和最大值rmax。
CN201810144581.4A 2018-02-12 2018-02-12 基于性能水准的多模态性能化抗震设计方法 Active CN108446444B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201810144581.4A CN108446444B (zh) 2018-02-12 2018-02-12 基于性能水准的多模态性能化抗震设计方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201810144581.4A CN108446444B (zh) 2018-02-12 2018-02-12 基于性能水准的多模态性能化抗震设计方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN108446444A CN108446444A (zh) 2018-08-24
CN108446444B true CN108446444B (zh) 2019-12-17

Family

ID=63192527

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201810144581.4A Active CN108446444B (zh) 2018-02-12 2018-02-12 基于性能水准的多模态性能化抗震设计方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN108446444B (zh)

Families Citing this family (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN109344511B (zh) * 2018-10-09 2019-11-05 青岛理工大学 基于性能水准的结构构件抗震承载力计算方法
CN110110368B (zh) * 2019-04-03 2021-12-21 青岛理工大学 基于顶点位移和底部剪力双指标的抗震振型数选取方法
CN112733222B (zh) * 2020-12-28 2022-04-19 青岛理工大学 基于物理机制的三层次工程抗震地面运动选择方法
CN113591181B (zh) * 2021-07-15 2023-11-24 中国建筑科学研究院有限公司 一种利用协调地震作用超越概率进行抗震性能鉴定的方法
CN116929684B (zh) * 2023-06-30 2024-04-09 成都瑞波科材料科技有限公司 用于生产相位差膜的工艺系统及其安装方法

Family Cites Families (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US9851463B2 (en) * 2014-07-01 2017-12-26 Pgs Geophysical As Interference attenuation of a residual portion of seismic data
CN107589445B (zh) * 2017-07-25 2024-05-07 青岛理工大学 一种基于设定反应谱的多段天然地震动合成方法
CN107784154B (zh) * 2017-08-29 2020-12-04 青岛理工大学 一种基于性态双谱的抗震性能概率评估方法

Also Published As

Publication number Publication date
CN108446444A (zh) 2018-08-24

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN108446444B (zh) 基于性能水准的多模态性能化抗震设计方法
CN109344511B (zh) 基于性能水准的结构构件抗震承载力计算方法
CN108957528B (zh) 设定地震风险的性能抗震设计评估方法
Ali et al. Seismic vulnerability of offshore wind turbines to pulse and non‐pulse records
Munir et al. The cause of unproportionately large higher mode contributions in the inelastic seismic responses of high‐rise core‐wall buildings
JP2020522071A (ja) 性能双スペクトルに基づくマルチモーダル性能指向型耐震設計方法
CN115062387B (zh) 底部设置屈曲约束支撑的铰支墙框架抗震设计方法和系统
Hu et al. Seismic design, nonlinear analysis, and performance evaluation of recentering buckling-restrained braced frames (BRBFs)
Zhu et al. Shake-table tests and numerical analysis of steel frames with self-centering viscous-hysteretic devices under the mainshock–aftershock sequences
CN108427833B (zh) 基于三维弹塑性地震反应谱的性能化抗震设计方法
Salawdeh et al. Performance based design approach for multi-storey concentrically braced steel frames
Liu et al. Study on seismic response of a new staggered story isolated structure considering SSI effect
Guo et al. Pushover analysis of a 53 m high wind turbine tower
Ureña et al. Desing and performance of Frames with Intentionally Eccentric Braces
Li et al. Control characteristics of mega-sub controlled structure system with friction damper under rare earthquake
Lopez-Almansa et al. Survey on major worldwide regulations on seismic base isolation of buildings
Özer et al. Effect of strong ground motion duration on structural damage
Zhang et al. Analytical Investigation of Seismic Behavior of Building Structures with an Inertial Force-Limiting Floor Anchorage System
Yang et al. Seismic Performance and Vulnerability Analysis of Traditional Chinese Timber Architecture Considering Initial Damage
CN113312691B (zh) 基于性态水准修正系数的抗震设计方法
Liang Research on the Function of Architectural Design Based on Seismic Observation Records in Seismic Design of Buildings
Bernardi et al. Evaluation of the inter-story isolation system applied to an existing masonry school building
Yang et al. Impact of simulated M9 Cascadia subduction zone motions on base isolated structures
Jalali et al. Optimum modal characteristics for multi-story buildings isolated with lrbs
Yang et al. Seismic behavior of unconnected piles–caisson foundation using slow cyclic tests

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant