CN111651814B - 一种近场区域结构的抗震设计方法 - Google Patents

Abstract

一种近场区域结构的抗震设计方法，它属于地震工程领域。本发明解决了目前仅仅是通过修正抗震设计谱来考虑近场脉冲效应，使得近场区域的倒塌储备小于远场区域结构，导致近场区域结构的安全度差的问题。本发明是通过控制结构基本周期来实现倒塌储备等效的近场区域结构抗震设计方法。采用本发明方法能够保证近场脉冲型地震动作用下近场区域结构的倒塌储备，使近场区域结构的倒塌储备与远场地震动作用下远场区域结构的倒塌储备等效，从而保证了近场区域结构的安全度，有利于保障我国近场区域的城市地震安全和推动抗震韧性城市的建设。本发明可以应用于地震工程领域。

Description

一种近场区域结构的抗震设计方法

技术领域

本发明属于地震工程领域，具体涉及一种近场区域结构的抗震设计方法。

背景技术

近场脉冲型地震动更易引发建筑结构严重破坏甚至倒塌已经成为地震工程领域的共识。我国境内地震断层众多，许多城市(如北京、天津、福州、成都等)就位于断层附近，因此建筑结构抗震设计中能否合理考虑近场脉冲效应，对于保障我国城市地震安全十分重要。

由于近场脉冲效应更易引发结构严重破坏甚至倒塌，近场区域的结构应具有不小于远场区域结构的倒塌储备，目前的方法仅仅通过修正抗震设计谱来考虑近场脉冲效应，而仅仅修正抗震设计谱进行抗震设计往往会使得近场区域的倒塌储备小于远场区域结构，近场区域结构的安全度较差。因此，很有必要提出一种方法来保证近场区域结构的倒塌储备。

发明内容

本发明的目的是为解决目前仅仅是通过修正抗震设计谱来考虑近场脉冲效应，使得近场区域的倒塌储备小于远场区域结构，导致近场区域结构的安全度差的问题，而提出了一种近场区域结构的抗震设计方法。

本发明为解决上述技术问题采取的技术方案是：一种近场区域结构的抗震设计方法，该方法包括以下步骤：

步骤一：设计近场区域结构模型和远场区域结构模型；

采用近场设计谱设计若干个近场区域结构模型，采用远场设计谱设计与近场区域结构模型个数相同的远场区域结构模型；

步骤二：建立近场区域结构模型和远场区域结构模型的倒塌易损性曲线；

根据近场区域结构模型在不同地震动强度下的反应特征，建立近场区域结构模型的倒塌易损性曲线，根据远场区域结构模型在不同地震动强度下的反应特征，建立远场区域结构模型的倒塌易损性曲线；

步骤三：根据步骤二建立的倒塌易损性曲线，建立近场区域结构模型和远场区域结构模型的倒塌储备等效方程；

步骤四：通过求解步骤三建立的倒塌储备等效方程，实现近场区域结构模型和远场区域结构模型的倒塌储备等效，再根据近场区域结构模型倒塌储备对近场区域结构模型进行抗震设计。

本发明的有益效果是：本发明提出了一种近场区域结构的抗震设计方法，本发明是通过控制结构基本周期来实现倒塌储备等效的近场区域结构抗震设计方法。采用本发明方法能够保证近场脉冲型地震动作用下近场区域结构的倒塌储备，使近场区域结构的倒塌储备与远场地震动作用下远场区域结构的倒塌储备等效，从而保证了近场区域结构的安全度，有利于保障我国近场区域的城市地震安全和推动抗震韧性城市的建设。

附图说明

图1是本发明的一种近场区域结构的抗震设计方法的流程图；

图2是7度设防结构的倒塌易损性曲线图；

图中，F-4-7代表7度设防情况下的4层远场区域结构，F-8-7代表7度设防情况下的8层远场区域结构，F-12-7代表7度设防情况下的12层远场区域结构，N-4-7代表7度设防情况下的4层近场区域结构，N-8-7代表7度设防情况下的8层近场区域结构，N-12-7代表7度设防情况下的12层近场区域结构；P_f代表结构倒塌的超越概率；

图3是8度设防结构的倒塌易损性曲线图；

图中，F-4-8代表8度设防情况下的4层远场区域结构，F-8-8代表8度设防情况下的8层远场区域结构，F-12-8代表8度设防情况下的12层远场区域结构，N-4-8代表8度设防情况下的4层近场区域结构，N-8-8代表8度设防情况下的8层近场区域结构，N-12-8代表8度设防情况下的12层近场区域结构；

图4是S_{a,50％ collapse}与结构基本周期T₁的关系曲线图；

图5是倒塌储备等效条件下T_1,N和T_1,F的关系曲线图。

具体实施方式

具体实施方式一：结合图1说明本实施方式。本实施方式所述的一种近场区域结构的抗震设计方法，该方法具体通过以下步骤实现：

步骤一：设计近场区域结构模型和远场区域结构模型；

采用近场设计谱设计若干个近场区域结构模型，采用远场设计谱设计与近场区域结构模型个数相同的远场区域结构模型；

步骤二：建立近场区域结构模型和远场区域结构模型的倒塌易损性曲线；

根据近场区域结构模型在不同地震动强度下的反应特征，建立近场区域结构模型的倒塌易损性曲线，根据远场区域结构模型在不同地震动强度下的反应特征，建立远场区域结构模型的倒塌易损性曲线；

步骤三：根据步骤二建立的倒塌易损性曲线，建立近场区域结构模型和远场区域结构模型的倒塌储备等效方程；

步骤四：通过求解步骤三建立的倒塌储备等效方程，实现近场区域结构模型和远场区域结构模型的倒塌储备等效，再根据近场区域结构模型倒塌储备对近场区域结构模型进行抗震设计。

近场区域是指距离断层20km以内的场地，远场区域是指距离断层20km以外的场地。

具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是：所述步骤一中设计近场区域结构模型和远场区域结构模型，其中，设计所述近场区域结构模型的方法为：按照近场设计谱设计7度设防情况下的4层、8层、12层RC框架结构，再按照近场设计谱设计8度设防情况下的4层、8层、12层RC框架结构；

设计所述远场区域结构模型的方法为：按照远场设计谱设计7度设防情况下的4层、8层、12层RC框架结构，再按照远场设计谱设计8度设防情况下的4层、8层、12层RC框架结构；

所述近场区域结构模型和远场区域结构模型的抗震设防类别为丙类，近场区域结构模型和远场区域结构模型的地震分组为第一组，近场区域结构模型和远场区域结构模型的场地为II类场地，混凝土强度等级为C30，钢筋强度等级为HRB400，层高均为3.3m。

具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式二不同的是：所述步骤二的具体过程为：

通过谱匹配分别选取20条远场地震动数据和20条近场脉冲型地震动数据，采用增量动力分析方法获得近场区域结构模型和远场区域结构模型在不同地震动强度作用下的反应特征，根据获得的反应特征，分别建立近场区域结构模型和远场区域结构模型的倒塌易损性曲线。

具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式三不同的是：所述地震动强度选用结构基本周期对应的反应谱加速度S_a作为衡量指标，将结构层间位移角θ_max＝0.04作为结构防倒塌极限状态的限值。

具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式四不同的是：所述步骤三的具体过程为：

倒塌储备系数CMR是一个应用很广的结构倒塌储备量化指标，可根据公式(1)来计算：

其中：S_{a,50％ collapse}为结构50％倒塌概率对应的反应谱加速度；S_a,RE为我国抗震设防中罕遇地震对应的反应谱加速度，近场区域结构的S_a,RE根据近场设计谱对应的罕遇地震来确定，远场区域结构的S_a,RE根据远场设计谱对应的罕遇地震来确定；

对S_{a,50％ collapse}与结构基本周期T₁的关系进行统计分析获得相应的拟合公式。在设防烈度、场地类别、层数等信息一致的前提下，

将近场区域结构模型和远场区域结构模型的倒塌储备系数分别表示如下：

其中：CMR_N和CMR_F分别为近场区域结构模型和远场区域结构模型的倒塌储备系数，S_{a,50％ collapse,N}为近场区域结构模型50％倒塌概率对应的反应谱加速度，S_{a,50％ collapse,N}的值根据近场区域结构模型的倒塌易损性曲线来确定(其为对应结构模型的倒塌易损性曲线的纵坐标取值为50％时所对应的横坐标值)，S_{a,50％ collapse,F}为远场区域结构模型50％倒塌概率对应的反应谱加速度，S_{a,50％ collapse,F}的值根据远场区域结构模型的倒塌易损性曲线来确定，T_1,N为近场区域结构模型基本周期，T_1,F为远场区域结构模型基本周期，f₁(T_1,N)和f₂(T_1,F)分别为近场设计谱和远场设计谱(采用我国现行规范的抗震设计谱)，S_a,RE,N为近场设计谱在罕遇地震中对应的反应谱加速度，S_a,RE,F为远场设计谱在罕遇地震中对应的反应谱加速度；

建立近场区域结构模型和远场区域结构模型的倒塌储备等效方程如下：

具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式五不同的是：所述通过求解步骤三建立的倒塌储备等效方程，实现近场区域结构模型和远场区域结构模型的倒塌储备等效，其具体过程为：

结合近场设计谱和远场设计谱对公式(4)进行求解，得到近场区域结构模型基本周期T_1,N与远场区域结构模型基本周期T_1,F的关系式：

当近场区域结构模型基本周期T_1,N和远场区域结构模型基本周期T_1,F满足公式(5)时，即实现近场区域结构模型和远场区域结构模型的倒塌储备等效。

本实施方式中，可以根据远场区域结构模型基本周期T_1,F和公式(5)确定近场区域结构模型基本周期T_1,N，确定出T_1,N后，根据近场设计谱确定出近场区域结构具体的设计方案(包括梁柱的截面、配筋等)，以有效提高近场区域结构的安全性。

实施例

下面结合附图具体说明本发明方法的实施过程：

步骤一：结构模型的设计

对于近场、远场区域，采用近场设计谱和远场设计谱设计了7度、8度设防情况下4层、8层、12层RC框架结构共计12个。抗震设防类别为丙类，设计地震分组为第一组，场地为II类场地，混凝土强度等级为C30，钢筋强度等级为HRB400，层高均为3.3m。

步骤二：结构倒塌易损性曲线的建立

通过谱匹配分别选取20条远场地震动和近场脉冲型地震动，采用增量动力分析方法研究结构在不同强度地震动作用下的反应特征，选用结构基本周期对应的加速度S_a作为地震动强度指标并对地震动进行调幅，同时选用结构最大层间位移角θ_max作为工程需求参数，将θ_max＝0.04作为结构防倒塌极限状态的限值。给出近场脉冲型地震动作用下近场区域结构(按照近场设计谱设计)的倒塌易损性曲线和远场非脉冲型地震动作用下远场区域结构(按照远场设计谱设计)的倒塌易损性曲线。

步骤三：倒塌储备等效方程的建立。

倒塌储备系数CMR是一个应用很广的结构倒塌储备量化指标，可根据公式(1)来计算：

其中：S_{a,50％ collapse}为结构50％倒塌概率对应的谱加速度；S_a,RE为我国抗震设防中罕遇地震对应的反应谱加速度，近场区域结构的S_a,RE根据近场设计谱对应的罕遇地震来确定，远场区域结构的S_a,RE根据远场设计谱对应的罕遇地震来确定。

对S_{a,50％ collapse}与结构基本周期T₁的关系进行统计分析获得相应的拟合公式。在设防烈度、场地类别、层数等信息一致的前提下，近场区域结构和远场区域结构的倒塌储备系数可分别用以下公式表达：

其中：CMR_N和CMR_F分别为近场区域结构和远场区域结构的倒塌储备系数，f₁(T_1,N)和f₂(T_1,F)分别为近场设计谱和远场设计谱(采用我国现行规范的抗震设计谱)，T_1,N和T_1,F分别近场、远场区域结构的基本周期。

通过求解以下方程可实现近场、远场区域结构倒塌储备等效：

步骤四：抗震设计方法的建立

结合近场、远场设计谱对公式(4)进行求解可得到T_1,N和T_1,F的关系，公式(5)给出了以远场区域结构基本周期为T_1,F变量的近场区域结构基本周期T_1,N预测公式。综合使用近场设计谱和公式(5)中关于T_1,N的限制，可以实现近场、远场区域结构倒塌储备等效。

在使用近场、远场设计谱进行相同层数结构的抗震设计时，只要近场、远场区域结构的基本周期满足这一公式即可实现倒塌储备等效。

按照以上给出的设计方法，可实现近场、远场区域结构的倒塌储备等效，图2给出了7度设防结构的倒塌易损性曲线，图3给出了8度设防结构的倒塌易损性曲线，图4反映了结构的S_{a,50％ collapse}与基本周期T₁的关系，图5反映了倒塌储备等效条件下T_1,N和T_1,F的关系。

本发明的上述算例仅为详细地说明本发明的计算模型和计算流程，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动，这里无法对所有的实施方式予以穷举，凡是属于本发明的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。

Claims (5)

1.一种近场区域结构的抗震设计方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

步骤一：设计近场区域结构模型和远场区域结构模型；

采用近场设计谱设计若干个近场区域结构模型，采用远场设计谱设计与近场区域结构模型个数相同的远场区域结构模型；

步骤二：建立近场区域结构模型和远场区域结构模型的倒塌易损性曲线；

根据近场区域结构模型在不同地震动强度下的反应特征，建立近场区域结构模型的倒塌易损性曲线，根据远场区域结构模型在不同地震动强度下的反应特征，建立远场区域结构模型的倒塌易损性曲线；

步骤三：根据步骤二建立的倒塌易损性曲线，建立近场区域结构模型和远场区域结构模型的倒塌储备等效方程；

所述步骤三的具体过程为：

将近场区域结构模型和远场区域结构模型的倒塌储备系数分别表示如下：

其中：CMR_N和CMR_F分别为近场区域结构模型和远场区域结构模型的倒塌储备系数，S_{a,50％collapse,N}为近场区域结构模型50％倒塌概率对应的反应谱加速度，S_{a,50％collapse,N}的值根据近场区域结构模型的倒塌易损性曲线来确定，S_{a,50％collapse,F}为远场区域结构模型50％倒塌概率对应的反应谱加速度，S_{a,50％collapse,F}的值根据远场区域结构模型的倒塌易损性曲线来确定，T_1,N为近场区域结构模型基本周期，T_1,F为远场区域结构模型基本周期，f₁(T_1,N)和f₂(T_1,F)分别为近场设计谱和远场设计谱，S_a,RE,N为近场设计谱在罕遇地震中对应的反应谱加速度，S_a,RE,F为远场设计谱在罕遇地震中对应的反应谱加速度；

建立近场区域结构模型和远场区域结构模型的倒塌储备等效方程如下：

步骤四：通过求解步骤三建立的倒塌储备等效方程，实现近场区域结构模型和远场区域结构模型的倒塌储备等效，再根据近场区域结构模型倒塌储备对近场区域结构模型进行抗震设计。

2.根据权利要求1所述的一种近场区域结构的抗震设计方法，其特征在于，所述步骤一中设计近场区域结构模型和远场区域结构模型，其中，设计所述近场区域结构模型的方法为：按照近场设计谱设计7度设防情况下的4层、8层、12层RC框架结构，再按照近场设计谱设计8度设防情况下的4层、8层、12层RC框架结构；

设计所述远场区域结构模型的方法为：按照远场设计谱设计7度设防情况下的4层、8层、12层RC框架结构，再按照远场设计谱设计8度设防情况下的4层、8层、12层RC框架结构；

所述近场区域结构模型和远场区域结构模型的抗震设防类别为丙类，近场区域结构模型和远场区域结构模型的地震分组为第一组，近场区域结构模型和远场区域结构模型的场地为II类场地，混凝土强度等级为C30，钢筋强度等级为HRB400，层高均为3.3m。

3.根据权利要求2所述的一种近场区域结构的抗震设计方法，其特征在于，所述步骤二的具体过程为：

通过谱匹配分别选取20条远场地震动数据和20条近场脉冲型地震动数据，采用增量动力分析方法获得近场区域结构模型和远场区域结构模型在不同地震动强度作用下的反应特征，根据获得的反应特征，分别建立近场区域结构模型和远场区域结构模型的倒塌易损性曲线。

4.根据权利要求3所述的一种近场区域结构的抗震设计方法，其特征在于，所述地震动强度选用结构基本周期对应的反应谱加速度S_a作为衡量指标，将结构层间位移角θ_max＝0.04作为结构防倒塌极限状态的限值。

5.根据权利要求4所述的一种近场区域结构的抗震设计方法，其特征在于，所述通过求解步骤三建立的倒塌储备等效方程，实现近场区域结构模型和远场区域结构模型的倒塌储备等效，其具体过程为：

结合近场设计谱和远场设计谱对公式(4)进行求解，得到近场区域结构模型基本周期T_1,N与远场区域结构模型基本周期T_1,F的关系式：

当近场区域结构模型基本周期T_1,N和远场区域结构模型基本周期T_1,F满足公式(5)时，即实现近场区域结构模型和远场区域结构模型的倒塌储备等效。

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