CN109344511B - 基于性能水准的结构构件抗震承载力计算方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及抗震设计技术领域,本发明的基于性能水准的结构构件抗震承载力计算方法，包括：以结构最大层间位移角设定不同性能水准，计算不同性能水准的结构顶点位移；根据第一振型质量参与系数和不同性能水准的结构顶点位移，确定第一振型位移；根据第一振型位移，获得等效单自由度体系的位移；选择适合场地的地面运动，得到不同性能水准的第一振型地震影响系数；基于不同性能水准的多条地面运动的峰值加速度平均值，根据抗震规范规定的设计反应谱，获得地震影响系数；合成多个振型下不同性能水准的结构地震作用；进行承载力的计算。基于性能水准，进行结构构件抗震承载力计算，抗震设计方法更为科学。
Description
技术领域
本发明涉及抗震设计技术领域,具体涉及一种结构构件抗震承载力的计算方法。
背景技术
中国抗震规范(GB 50011－2016)规定，50年超越概率为10％、63％和2％的地震烈度分别是多遇、基本和罕遇烈度，抗震承载能力是基于设防多遇烈度弹性地震反应谱，采用振型分解法或底部剪力法计算地震作用，进行地震作用效应组合，实现构件抗震承载力计算的。美国ASCE7，IBC基于两水准转换，将最大应考虑地震(对应中国规范中的“罕遇烈度”)的2/3转换为设计地震(对应中国规范中的“基本烈度”)，基于设计反应谱采用静力设计的底部剪力法(等效侧向力法)和振型分解法，通过结构调整系数考虑不同结构类型的结构反应修正，将设计地震作用折算为弹性范围，进行地震作用效应组合，完成抗震承载力计算的。欧洲抗规与美国类似，设计地震作用折算是通过性能系数，折算成相应的弹性地震作用，进行地震作用效应组合，完成抗震承载力计算的。以上表明，各国抗震规范都是基于设防烈度或地震动参数，完成结构构件的抗震承载力计算的。
中国抗震规范(GB 50011－2016)在附录M---实现抗震性能设计目标的参考设计方法中，给出了实现抗震性能设计目标的构件抗震承载力计算方法，但仍然是基于烈度，在设防地震动、设防烈度地震动和罕遇地震动下，完成构件抗震承载力计算。从本质上，基于性能的抗震设计应从性能水准(非烈度出发)，进行构件抗震承载力计算，但是，现有方法没有基于性能水准的结构构件抗震承载力设计方法。
发明内容
本发明提出了一种基于性能水准的结构构件抗震承载力计算方法，即将中国抗震规范(GB 50011－2016)附录M---实现抗震性能设计目标的参考设计方法，由基于烈度出发，改为基于性能出发，从本质上实现了基于性能的抗震设计的初衷。
为实现上述技术效果，本发明采用如下技术方案：包括如下步骤：
S1、以结构最大层间位移角设定不同性能水准，计算不同性能水准的结构顶点位移；
S2、根据第一振型质量参与系数和不同性能水准的结构顶点位移，确定不同性能水准的第一振型位移；
S3、根据不同性能水准下的第一振型位移，基于结构与等效单自由度体系的映射关系，获得不同性能水准下的第一振型等效单自由度体系的位移
S4、选择适合场地的地面运动(即地面运动尽可能满足断层机制、断层距、场地类别等场地地震环境特征要求；地面运动的反应谱尽可能与抗震规范规定的场地反应谱相匹配。)，根据第一振型等效单自由度体系的弹塑性动力非线性方程，不断调整地面运动峰值加速度的大小，使得位移响应与不同性能水准的第一振型等效单自由度体系的位移相同，获得不同性能水准下达到第一振型等效单自由度体系的位移时，不同性能水准的多条地面运动的峰值加速度平均值Amax(n)和对应的第一振型地震影响系数α1(n)；
S5、基于不同性能水准的多条地面运动的峰值加速度平均值，根据抗震规范规定的设计反应谱，获得不同性能水准、不同振型下的地震影响系数，不包括第一振型；
S6、采用平方和开平方法或者完全二次组合法，合成多个振型下不同性能水准的结构地震作用；
S7、对于到达屈服前的各性能水准，按考虑地震效应调整设计值的地震作用效应的基本组合，进行承载力的计算；
S8、对于到达屈服后，发生不严重破坏前的各性能水准，进行承载力的计算；
该承载力计算一般采用两种方式：(1)按照不考虑地震效应调整设计值的地震作用效应的基本组合进行承载力的计算；(2)按照构件承载力标准值的地震作用效应的标准组合进行承载力的计算；
S9、对于发生不严重破坏后，直到倒塌的各性能水准，按照构件极限承载力值
的地震作用效应的标准组合，进行承载力的计算。
基于烈度或地震动参数完成抗震设计是上世纪抗震设计主导计算方法，21世纪初，世界各国开始采用基于性能的抗震设计方法，2010年我国抗震规范首次写入了基于性能的抗震设计方法。这些方法虽然面向了性能抗震设计考虑，但仍然基于烈度出发，尚未形成真正意义上的基于性能的抗震设计计算方法。本发明针基于性能水准的结构构件抗震承载力的计算，抛弃了烈度概念，直接基于性能水准完成结构构件抗震承载力，克服了烈度不确定性，带来结构构件抗震承载力计算的不确定性(以前通过加大可靠度来补偿这种不确定)。本发明的优点：首先，基于量化的性能水准，进行结构构件抗震承载力计算，计算精准率大幅度提高；此外，可基于不同性能水准，进行结构构件抗震承载力计算，可更加深度地满足不同的设计需求；最后，基于性能水准，进行结构构件抗震承载力计算，抗震设计方法更为科学。
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阐述，以下以钢筋混凝土框架为例，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结构构件抗震承载力设计方法，包括如下步骤，
S1、以结构最大层间位移角设定不同的性能水准，计算不同性能水准的结构顶点位移。
S1-1、结构最大层间位移角可表征结构不同的性能水准，抗震规范规定不同的性能水准对应的钢筋混凝土框架结构的最大层间位移角如表1。
表1.性能水准
S1-2、采用PUSHOVER推覆结构，获得最大层间位移角与结构顶点位移的关系，将不同性能水准映射于结构顶点位移Xtop(n)，n表示不同的性能水准。
S2、根据第一振型质量参与系数和不同性能水准的结构顶点位移，确定同性能水准下的第一振型位移。
S2-1、计算振型参数系数
第j阶振型参与系数
其中，φi,j—第i质点第j阶振型，Gi—第i质点重力荷载代表值，N—某方向的振型数。
S2-2、振型质量参与系数
第j阶振型质量参与系数
根据中国高规、美国荷规规定，振型个数取值应使振型质量参与系数之和大于90％。
S2-3、不同性能水准的第一振型位移
—第一振型结构顶点位移；η1—第1阶振型质量参与系数。
S3、根据不同性能水准下的第一振型位移，基于结构与等效单自由度体系的映射关系，获得不同性能水准下的第一振型等效单自由度体系的位移
或采用简化公式：
Hi—第i层高度，H—建筑的总高度，—第一简化调整系数，取0.80-0.95。
S4、选择适合场地的地面运动，根据第一振型等效单自由度体系的弹塑性动力非线性方程，不断调整地面运动峰值加速度的大小，使得位移响应与不同性能水准下的第一振型等效单自由度体系的位移相同，获得不同性能水准下达到第一振型等效单自由度体系的位移时，不同性能水准的多条地面运动的峰值加速度平均值Amax(n)和对应的第一振型地震影响系数α1(n)。
S5、基于不同性能水准的多条地面运动的峰值加速度平均值，根据抗震规范规定的设计反应谱，获得不同性能水准下、不同振型下的地震影响系数，不包括第一振型。
S5-1、计算不同性能水准下的地面运动峰值调整系数
Acode(n)—规范与Amax(n)最接近的地面运动峰值加速度(近似等同有效峰值加速度)。
S5-2、计算不同性能水准下、不同振型下的地震影响系数
αj(n)＝β(n)*αj-code(n)j＝1,m (7)
αj-code(n)—与第j振型对应的规范给出的地震影响系数。
S6、采用平方和开平方法或者完全二次组合法，合成多个振型下不同性能水准的结构地震作用。
S7、对于到达屈服前的各性能水准，按考虑地震效应调整设计值的地震作用效应的基本组合，进行承载力的计算。
γGSGE+γESEK(Pn,λ,ζ)≤R/γRE (8)
γG—重力荷载分项系数；SGE—重力荷载代表值；γE—地震作用分项系数；SEK(Pn,λ,ζ)—性能水准下地震作用标准值效应，Pn代表屈服前的各性能水准，λ按非抗震性能设计考虑抗震等级的地震效应调整系数，ζ考虑部分次要构件进入塑性的刚度降低或消能减震结构附件的阻尼影响；R—结构构件承载力设计值；γRE—承载力抗震调整系数。
S8、对于到达屈服后，发生不严重破坏前的各性能水准，按照：1)不考虑地震效应调整设计值的地震作用效应的基本组合；2)构件承载力标准值的地震作用效应的标准组合，二者选择其一进行承载力的计算。
γGSGE+γESEK(Pn,ζ)≤R/γRE (9)
SEK(Pn,ζ)—性能水准下地震作用标准值效应，Pn代表屈服后不严重破坏前的各性能水准，屈服后计算SEK(Pn,ζ)时，地震影响系数应除以反应修正系数，以考虑塑性折减和结构超强等因素影响。
也可采用下面公式计算：
SGE+SEK(Pn,ζ)≤Rk (10)
Rk—按材料强度标准值计算的承载力，SEK(Pn,ζ)—性能水准下地震作用标准值效应，Pn代表屈服后不严重破坏前的各性能水准，屈服后计算SEK(Pn,ζ)时，地震影响系数应除以反应修正系数，以考虑塑性折减和结构超强等因素影响。
公式(9)可靠度略大于公式(10)。
S9、对于发生不严重破坏后，直到倒塌的各性能水准，按照构件极限承载力值的地震作用效应的标准组合，进行承载力的计算。
Ru—按材料最小极限强度值计算的承载力；—承载力降低系数，取0.85-1；SEK(Pn,ζ)—性能水准下地震作用标准值效应，Pn代表屈服后不严重破坏前的各性能水准，屈服后计算SEK(Pn,ζ)时，地震影响系数应除以反应修正系数，以考虑塑性折减和结构超强等因素影响。
综合上述，本发明在以下三点有实质性创新(进步)：一是以性能水准确定地震作用，体现在步骤S1—S4；二是在达到性能水准时，确定了二阶以上振型的地震作用，体现在步骤S5；三是改写了我国抗震规范附录M中的设计公式(M.1.2-1)公式、(M.1.2-2)、公式(M.1.2-3)、公式(M.1.2-4)，体现在步骤S6—S9，SEK(Pn,λ,ζ)、SEK(Pn,ζ)不再是基于设防地震动、设防烈度地震动、罕遇地震动I，而是基于不同性能水准Pn。
本发明的核心是基于性能水准(如力、变形、应变、延性、能量和曲率等)，确定地震作用，进而完成构件承载力的计算。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 (10)
1.一种基于性能水准的结构构件抗震承载力计算方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1、以结构最大层间位移角设定不同性能水准，计算不同性能水准的结构顶点位移；
S2、根据第一振型质量参与系数和不同性能水准的结构顶点位移，确定不同性能水准的第一振型位移；
S3、根据不同性能水准下的第一振型位移，基于结构与等效单自由度体系的映射关系，获得不同性能水准下的第一振型等效单自由度体系的位移n表示不同性能水准数；
S4、选择适合场地的地面运动，根据第一振型等效单自由度体系的弹塑性动力非线性方程，不断调整地面运动峰值加速度的大小，使得位移响应与不同性能水准的第一振型等效单自由度体系的位移相同，获得不同性能水准下达到第一振型等效单自由度体系的位移时，不同性能水准的多条地面运动的峰值加速度平均值Amax(n)和对应的第一振型地震影响系数α1(n)；
S5、基于不同性能水准的多条地面运动的峰值加速度平均值，根据抗震规范规定的设计反应谱，获得不同性能水准、不同振型下的地震影响系数，不包括第一振型；
S6、采用平方和开平方法或者完全二次组合法，合成多个振型下不同性能水准的结构地震作用；
S7、对于到达屈服前的各性能水准，按考虑地震效应调整设计值的地震作用效应的基本组合，进行承载力的计算；
S8、对于到达屈服后，发生不严重破坏前的各性能水准，进行承载力的计算；
S9、对于发生不严重破坏后，直到倒塌的各性能水准，按照构件极限承载力值的地震作用效应的标准组合，进行承载力的计算。
2.根据权利要求1所述的基于性能水准的结构构件抗震承载力计算方法，其特征在于，步骤S1包括：
(S1-1)结构最大层间位移角表征结构不同的性能水准，抗震规范规定不同的性能水准对应的钢筋混凝土框架结构的最大层间位移角不同；
(S1-2)采用PUSHOVER推覆结构，获得最大层间位移角与结构顶点位移的关系，将不同性能水准映射于结构顶点位移Xtop(n)，n表示不同的性能水准。
3.根据权利要求2所述的基于性能水准的结构构件抗震承载力计算方法，其特征在于，步骤(S1-1)抗震规范规定不同的性能水准对应的钢筋混凝土框架结构的最大层间位移角如下表
所示。
4.根据权利要求2或3所述的基于性能水准的结构构件抗震承载力计算方法，其特征在于，步骤S2包括如下步骤：
(S2-1)计算振型参与系数
第j阶振型参与系数
其中，φi,j—第i质点第j阶振型，Gi—第i质点重力荷载代表值；N—某方向的振型数；
(S2-2)振型质量参与系数
第j阶振型质量参与系数
振型个数取值应使振型质量参与系数之和大于90％；
(S2-3)不同性能水准的第一振型位移
—第一振型结构顶点位移；η1—第1阶振型质量参与系数。
5.根据权利要求4所述的基于性能水准的结构构件抗震承载力计算方法，其特征在于，步骤S3中不同性能水准下的第一振型等效单自由度体系的位移的计算方法为：
或计算方法为：
其中hi—第i层高度，H—建筑的总高度，—第一简化调整系数，取0.80-0.95。
6.根据权利要求5所述的基于性能水准的结构构件抗震承载力计算方法，其特征在于，步骤S5包括：
(S5-1)计算不同性能水准下的地面运动峰值调整系数
Acode(n)—规范与Amax(n)最接近的地面运动峰值加速度，其近似等同有效峰值加速度；
(S5-2)计算不同性能水准下、不同振型下的地震影响系数
αj(n)＝β(n)*αj-code(n)j＝1,...,m
每个性能水准下取m个振型，在每个性能水准下分别计算第j个振型的地震影响系数，j从1取到m；αj-code(n)—与第j振型对应的规范给出的地震影响系数。
7.根据权利要求6所述的基于性能水准的结构构件抗震承载力计算方法，其特征在于，步骤S7中承载力的计算如下：
γGSGE+γESEK(Pn,λ,ζ)≤R/γRE
其中，γG—重力荷载分项系数；SGE—重力荷载代表值；γE—地震作用分项系数；SEK(Pn,λ,ζ)—性能水准下地震作用标准值效应，Pn代表屈服前的各性能水准，λ按非抗震性能设计考虑抗震等级的地震效应调整系数，ζ考虑部分次要构件进入塑性的刚度降低或消能减震结构附件的阻尼影响；R—结构构件承载力设计值；γRE—承载力抗震调整系数。
8.根据权利要求7所述的基于性能水准的结构构件抗震承载力计算方法，其特征在于，步骤S8中对于到达屈服后，发生不严重破坏前的各性能水准，按照不考虑地震效应调整设计值的地震作用效应的基本组合进行承载力的计算，公式如下：
γGSGE+γESEK(Pn,ζ)≤R/γRE，
其中，SEK(Pn,ζ)—性能水准下地震作用标准值效应，Pn代表屈服后不严重破坏前的各性能水准，屈服后计算SEK(Pn,ζ)时，地震影响系数应除以反应修正系数，以考虑塑性折减和结构超强因素影响。
9.根据权利要求7所述的基于性能水准的结构构件抗震承载力计算方法，其特征在于，步骤S8中对于到达屈服后，发生不严重破坏前的各性能水准，按照构件承载力标准值的地震作用效应的标准组合进行承载力的计算，公式如下：
SGE+SEK(Pn,ζ)≤Rk，
其中，Rk—按材料强度标准值计算的承载力，SEK(Pn,ζ)—性能水准下地震作用标准值效应，Pn代表屈服后不严重破坏前的各性能水准，屈服后计算SEK(Pn,ζ)时，地震影响系数应除以反应修正系数，以考虑塑性折减和结构超强因素影响。
10.根据权利要求7所述的基于性能水准的结构构件抗震承载力计算方法，其特征在于，步骤S9对于发生不严重破坏后，直到倒塌的各性能水准，按照构件极限承载力值的地震作用效应的标准组合，进行承载力的计算，公式如下：
其中，Ru—按材料最小极限强度值计算的承载力；—承载力降低系数，取0.85-1；SEK(Pn,ζ)—性能水准下地震作用标准值效应，Pn代表屈服后不严重破坏前的各性能水准，屈服后计算SEK(Pn,ζ)时，地震影响系数应除以反应修正系数，以考虑塑性折减和结构超强因素影响。
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