平面不规则钢结构基于性能抗震设计方法研究

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3.0 高德中 2024-11-19 5 4 3.09MB 104 页 15积分
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平面不规则钢结构基于性能抗震
设计方法研究
基于性能的结构抗震设计思想是二十世纪九十年代地震工程学界中出现的一种
全新的理论,该理论一经提出就受到广大学者的关注。目前,国际上已普遍认可了
基于性能的结构抗震设计的重要性和适用性。该理论摒弃了传统的抗震设计以保障
生命安全为单一设防目标的缺陷,而是以提高结构抗震性能为目标,要求所设计的
建筑结构既能保证安全可靠,又能满足业主的需求。然而在我国,这一理论的研究
尚处起步阶段。因此,系统地研究这一设计理论,对我国抗震设计理论的发展具有
重要的理论意义和实用价值。本文主要围绕平面不规则钢结构基于性能的抗震设计
方法进行了以下几方面的研究工作。
1)论文首先对结构性能水平和抗震性能目标的优化决策进行研究。以结构在
地震作用下的破坏程度为依据,将结构性能水平划分为五级,并以结构的层间位移
角为定量控制指标,建立了结构破坏程度―结构性能水平―层间位移角之间的对应
关系。这种划分细化了现行规范规定的三级性能水平,为设计人员和业主提供更多
的选择,使结构抗震设计更加灵活。同时,以“投资―效益”准则为基础,结合地
震危险性分析,建立了全新的结构全寿命总费用模型。该模型不仅考虑了结构的初
始造价,而且充分根据结构性能失效的特点考虑了结构在各级性能水平下的损失期
望,全面注重了结构性能、安全及社会经济等条件。
2)在静力弹塑性分析中,综合阐述了其基本原理和实施步骤,并在该方法的
关键问题―水平侧向力的分布模式上,通过引入水平侧向力调整系数和水平侧向力
SAP2000限元软件对算例进行Pushover分析,分析结果验证了所提出模式的可行
性,说明Pushover分析法适用于平面不规则结构。
3)论文对平面不规则结构的进能力法进行了研究。通过引入等效
和等效参与系数考虑高阶型对结构应的影响;通过引入结构整体尺寸
偏心距有关的承载降低系数考虑因结构扭转生的大效应,以此建
立了等效SDOF系的化方法。为了建立弹塑性需求,基于Kwan提出的计
法,结合多、高层钢结构的特性,提出了针对多、高层钢结构的等效阻尼比算公
式。综合等效SDOF进的化方法及结构能力谱曲线和需求谱曲线的建立方
法,提出了进能力法的主要程。该避免了传统能力法在求结构性能
点时复杂代,计过程更加简便、有效。算例果表明按照改进能力
结构抗震性能到的结果偏于安全,说明在选了合适数的基础上,结构抗震
性能评估的能力适用于不规则结构。
4)论文最后将文中研究的各方面内容综合用到平面不规则钢结构基于性能
抗震设计的各阶段。在结构选择了合适的抗震性能等级以,对结构进行概念
设计,并计该设计方的结构全寿命期的总费用,然Pushover分析法作为
结构的计分析方法,以进的能力法作为检验结构抗震性能的评估与验算方法
形成套完整的结构抗震设计方法。该方法在结构设计的一阶段以结构的
抗震性能作为控制指标,充分现了基于性能的抗震设计思想。
关键词:基于性能的抗震设计 平面不规则钢结构 全寿命期总费用
静力弹塑性分析 水平侧向力分布模式力时程分析 能力
ABSTRACT
T h e c o n c e p t o f p e r f o r m a n c e-b a s e d s e i s m i c d e s i g n i s a n e w t h e o r y i n t h e
e a r t h q u a k e e n g i n e e r i n g f i e l d s i n c e 1 9 9 0s , a n d t h e n mu c h a t t e n t i o n w a s p a i d f r o m
scholars. Nowadays, the international communities have recognized its importance and
applicability. Contrary to the traditional seismic design method, this theory is aiming at
improving the target performance level of structures rather than only maintaining the
life safety. It requires that structures should be safe and the design scheme should meet
t he n e e d s o f o wne r s a s w ell. However , i n C h i na, t he s t u d y o n i t is st i l l i n t h e i nitial
st age. Ther ef or e, the systematic stu dy o n it has a s igni fi ca nt theo re ti cal and pract ical
v a l u e t o t h e d e v e l o p m e n t o f s e i s m i c d e s i g n t h e o r yTh i s p a p e r fo c u se s o n t h e
p e r f o r m a n c e-b a s e d s e i s m i c d e s i g n o f i r r e g u l a r p l a n e s t e e l s t r u c t u r e a n d c e r t a i n
researches are investigated.
1B a s e d o n d a m a g e d e g r e e s o f t h e s t r u c t u r e u n d e r t h e e a r t h q u a k e , f i v e
p e r f o r m a n c e l e v e l s a r e c l a s s i f i e d . Th e i n t e r - s t o r y d r i f t i s d e f i n e d a s t h e
qu a n t i t a t i v e c o n t r o l i n d e x a n d th e r e l a t i o n s h i p a m o n g d a m a g e d e g r e es , p e r f o r m a n c e
l e v e l s a n d t h e i n t e r - s t o r y d r i f t i s b u i l t . T h e c l a s s i f i c a t i o n proposed p r o v i d e s m o r e
f l e x i bl e options f o r designers and ownersM e a n w h i l e , b a s e d o n t h e c o s t - e f f e c t i v e n e s s
criterion and taking the seismic hazard analysis into consideration, a new structural life-
c y c l e c o s t m o d e l i s p r e s e n t e d , w h i c h c o n s i d e r s t h e i n i t i a l c o s t a n d t h e f a i l u r e l o s s
expectation, and roundly pays attention to the structural performance and other
conditions.
2A n e w l a t e r a l- l o d e p a t t e r n t o t h e i r r e g u l a r p l a n s t e e l s t r u c t u r e s i s
p r e s e n t e d w h e n t h e p u s h o v e r a n a l y s i s m e t h o d i s d i s cus s e dTh e e x a m p l e u s i n g
S A P 2 0 0 0 f o r t h e p u s h o v e r a n a l y s i s t e s t i f i e s t h e f e a s i b i l i t y a n d v a l i d i t y o f
t h e p r o p o s e d m o d e la n d p r o v e s t h e p o t e n t i a l i t y o f t h e u s e o f p u s h o v e r a n a l y s i s t o
irregular structures
3The capacity spectrum method used to evaluate the structural performance is
discussed. The concepts of the equivalent mode and the modal participation coefficient
a r e i n t r o d u c e d w h e n i rr e g u l ar p l a n s t r u c t u r e s a r e s t u d i e d, a s w e l l a s th e s t r e n g t h
reduc t i o n c o e fficie n t ζ whi c h i s r e l ated t o stru c t u r a l dimensi o n s a n d t he e c c e n t r i c i ty.
Based on the simplification method of the equivalent SDOF system, the main process of
t h e m o d i f i e d c a p a c i t y s p e c t r u m m e t h o d i s a l s o p r e s e n t e d . T h e c a l c u l a t i o n r e s u l t
shows that the capacity spectrum method can be used to evaluate the performance of
irregular plan structures when choosing appropriate parameters
4Each of the studied objects in this paper is used in the different stage of the
comprehensive seismic design method to steel structuresIt is to say that after selecting
the performance level, designers can do the work such as structural conceptual design
a n d t h e c a l c u l a ti o n o f t h e l i f e - c y c l e c o s t . An d t h e n , th e p u s h o v e r a n a l y s i s m e t h o d i s
u s e d as t h e w a y o f c a l c u l a t in g a n d t h e c a p a c i t y s p e c t r u m m e t h o d i s u s e d
t o e v a l u a t i n g t h e s t r u c t u r a l p e r f o r m a n c eSo t h e u n i f i e d p e r f o r m a n c e - b a s e d s e i s m i c
design method to irregular plan structures are formed, which embodies fully concept of
the “performance-based” in every step of the structural design process.
Key Wordperformance-based seismic designirregular plane steel
s t r u c t u r el i f e - c y c l e c o s tp u s h o v e r a n a l y s i sl a t e r a l - l o d e
patterndymatic time-history analysiscapacity spectrum method
目 录
中文
ABSTRACT
....................................................................................................................1
§1.1 ....................................................................................................................1
§1.2 基于性能的抗震设计理论................................................................................2
§1.2.1 我国现行抗震设计规范的不足.................................................................2
§1.2.2 基于性能抗震设计理论的提出及研究现.............................................3
§1.2.3 基于性能抗震设计理论的.................................................................4
§1.3 基于性能抗震设计的主要内容在的问题................................................5
§1.3.1 地震设防水准.............................................................................................5
§1.3.2 结构性能水平.............................................................................................7
§1.3.3 抗震性能目标.............................................................................................8
§1.3.4 在的问题.................................................................................................9
§1.4 基于性能的抗震设计方法..............................................................................10
§1.4.1 直接基于位移设计法...............................................................................11
§1.4.2 位移影响系数法.......................................................................................13
§1.4.3 能力...................................................................................................13
§1.4.4 基于可靠度设计法...................................................................................14
§1.5 静力弹塑性(Pushover)分析.......................................................................15
§1.6 本文主要研究内容..........................................................................................17
§1.7 基本理想化处理..................................................................................18
结构性能水平抗震性能目标优化决策.......................................................19
§2.1 ..................................................................................................................19
§2.1.1 结构可靠度理论.......................................................................................19
§2.1.2 “投资―效益”准则..............................................................................21
§2.2 结构性能水平的量化......................................................................................22
§2.3 抗震性能目标优化决策..................................................................................27
§2.3.1 基于“投资―效益”准则的性能目标优化模型...................................27
§2.3.2 全寿命总费用评估...................................................................................28
§2.4 章小..........................................................................................................32
平面不规则钢结构静力弹塑性分析...............................................................33
§3.1 ..................................................................................................................33
§3.2 Pushover分析法的基本原理...........................................................................34
§3.2.1 Pushover分析法的基本....................................................................34
§3.2.2 等效单自由系的建立[31]...................................................................34
§3.3 Pushover分析法的实施步骤...........................................................................37
§3.3.1 结构荷载―位移曲线的建立...................................................................37
§3.3.2 目标位移的求.......................................................................................38
§3.4 水平侧向力分布模式......................................................................................43
§3.5 平面不规则钢结构进的水平侧向力分布模式..........................................46
§3.5.1 ...........................................................................................................46
§3.5.2 层的量中度中偏心矩...................................................47
§3.5.3 平面不规则钢结构进的水平侧向力分布...........................................47
§3.6 算例..................................................................................................................49
§3.6.1 结构非线性模型.......................................................................................49
§3.6.2 非线性时程分析.......................................................................................50
§3.6.3 地震的选...........................................................................................51
§3.6.4 限元模型建立.......................................................................................53
§3.6.5 Pushover分析结....................................................................................54
§3.6.6 时程分析结果比较...............................................................................56
§3.7 章小..........................................................................................................57
第四章 平面不规则钢结构进能力...................................................................59
§4.1 ..................................................................................................................59
§4.2 本文建的等效SDOF化方法...........................................................61
§4.2.1 等效等效参与系数...............................................................61
§4.2.2 等效...................................................................................................62
§4.2.3 等效位移等效基底剪.......................................................................62
§4.2.4 理论分析曲线折线...............................................................................63
§4.2.5 等效...................................................................................................65
§4.2.6 等效阻尼比...............................................................................................66
§4.3 结构能力谱曲线..............................................................................................67
§4.4 结构需求谱曲线..............................................................................................68
§4.4.1 等效阻尼比弹性需求谱曲线...................................................................68
§4.4.2 弹塑性需求谱曲线...................................................................................70
§4.5 本文进的能力......................................................................................70
§4.5.1 目标位移的.......................................................................................70
§4.5.2 进能力法的计步骤.......................................................................71
§4.6 算例..................................................................................................................73
§4.6.1 ...................................................................................................73
§4.6.2 时程分析结果比较...............................................................................74
§4.7 章小..........................................................................................................75
平面不规则钢结构基于性能抗震设计方法...................................................76
§5.1 ..................................................................................................................76
§5.2 平面不规则钢结构基于性能的抗震设计方法..............................................77
§5.2.1 结构概念设计...........................................................................................78
§5.2.2 结构性能水平的定和抗震性能目标的优化决策...............................78
§5.2.3 结构的非线性分析...................................................................................80
§5.2.4 结构的抗震性能评估方法.......................................................................81
§5.3 算例..................................................................................................................82
§5.3.1 结构概念设计...........................................................................................82
§5.3.2 抗震性能目标优化决策...........................................................................83
§5.3.3 Pushover分析............................................................................................85
§5.3.4 结构抗震性能评估...................................................................................87
§5.4 章小..........................................................................................................88
第六章 结论展望.......................................................................................................90
§6.1 主要结论..........................................................................................................90
§6.2 问题展望......................................................................................................93
考文........................................................................................................................95
第一章
§1.1
地震作为一种发性和毁灭都极强灾害它给社会带来灾难
大的。地震不导致建筑破坏、倒塌而引起重的生命及财产损失,而
且因地震引发的火灾海啸灾害也将破坏人社会以生环境
影响正常的生和生活秩序大的社会与政治影响。我国地处世界上
大地震[1]:东临近环太地震欧亚地震,地震区域广
而分,地震频繁强烈历史上的地震受已经到国以上,
我国人民带来极灾难影响灾区的生和生活,一定程度上阻碍了社会
的进步和发展。特范围地震发生频率密集,一特大地震已经
社会带来了不可计的损失,这就引起了工程界对现有的抗震设计思想和方法
在的不足进行深刻反思,使工程人员继续深入研究,以期进一步完善结构抗
震思想和方法,度地降低地震们带来的损失。
世纪以随着对地震和结构特性,特力特性认的不
入,建筑结构的地震应分析水平和抗震设计理论及方法在不发展和完善
纵观结构地震应分析的发展,大可以分为静力、、弹性力、弹性
四个阶段。此同时,抗震设防水准及设计方法的可靠性在经受着强烈
震的考。在抗震设防期,主要用单一设防水准保证结构的安全,然而
世纪十年代以,人们逐步认到地震的不定性,同时也开始关注结构安全性
经济性之间的合理关系,多级抗震设防思想逐渐得到了地震工程界的认同[2]。目
前,各国的抗震设计规范中普遍用“震不坏、中震可、大震不”的设计思
想,其目的是使结构在设计基准期当遭于本地设防度的多地震时,
不会发生破坏不需要继续使用;当遭受本地设防地震作用时,可以损
坏,继续使用;当遭受高于本地设防度的罕遇地震时,结构不
塌或发生危及生命的重破坏。尽管如此,这种设计思想是以保障生命安全为单
一设防目标的,抗震设计仍采用基于度(或承载力)的设计方法,不能有效控
制结构在未来地震作用下的破坏程度[3]
钢结构是世界期高层建筑中先使用的结构型,将其应用到实际工程中已
有上年的历史[4]期以,我国钢结构的应用范围主要中在大屋盖和工
厂房的建造,十年代中期国的建筑钢数量大加,钢结构才逐渐
业建筑、公共建筑及住宅领域中出现。随着建筑的高度和层数不断增加,工
程设计人员发现用钢结构要比采用钢筋混凝土结构更加经济。同时,钢结构具有
轻质、塑性及、施工产早收益以及保等优点,所以越来
受到工程师们的重青睐。九十年代始,我国起了一建造高层建筑的高
,将我国在这一领域的发展向了世界的前适应,国的工程师们
过在技术研究、设计能力、设计制及各等方面的设计、施
1
平面不规则钢结构基于性能抗震设计方法研究
工单位合作,引进、吸收化国的先进技术,根据我国的实际情况开展了一系
重大的[5]取得相当大的进展。其是几年,国的多、高层钢结
到了迅猛发展。可以预见随着我国经济实力续增强技术水平不提高,
钢结构势必为主要的结构系之一。
然而相比,我国多、高层钢结构的应用时间比较,尚经受
强烈地震的考,经验还不足。尽管遭遇强烈地震作用时,钢结构能发生
大的形来地震能量,世界范围发生的大量已经表明,钢结
构在强烈地震作用下重的结构或非结构破坏。因此研究钢结构的抗
震性能然具有重要的理论意义和实用价值。
§1.2 基于性能的抗震设计理论
§1.2.1 我国现行抗震设计规范的不足
目前,我国抗震理论的主要思想是“三水准,阶段”的设计思想,以“
震不坏,中震可,大震不”为抗震设防目标,以“震”作用下的度设计及
弹性层间形验算和“大震”作用下的弹塑性层间形验算为抗震设计方法,并据
此制定抗震规范。规范中将结构可靠度定义为“结构在规定的时间,在规定的条
件下,完成能的概率”。这的“能”是指在正常情况下,结构到可能
的各种作用(荷载、地震力等)时,保其安全性、整性及耐久性的能力。
种意义上,我国的抗震设计规范已了一定的结构性能设计思想,是规
范中对些参数指标的定义尚量化,整设计过程形成套完整的思
2001也逐渐暴露出其不足之处
1)现行的抗震设计用的是基于度(或承载力)的设计方法,是在对实
际震的分析中发现,在整地震中,对结构破坏起控制作用的因可能是
力,可能是位移。因此,单一基于力的设计是不合实际情况的。
2按照这种以保障生命安全为目标的设计理论所设计的结构,尽管在地震中
基本保障生命安全,不能在大震甚至中震、震中有效地控制于地震破
坏而造直接或的经济损失。随着经济的发展,建筑结构构件
及各等的费用通高于结构本的费用,这种损失会更加重,往往超出了
设计者的期,大大过了业主乃至社会所能受的范围。实上,社会和
对于现代及未来建筑不仅要求能倒塌要求能将地震造的经济损失控
制在可受的范围
3尽管规范已经明确给出了“震不”和“大震可”的定量化数,
是对于“中震可”的然是定性的。“可”的范围不能明确界定,其
就不能在抗震设计中现,就不能实现“中震可”这一水准。不能
结构的破坏,在近些年的地震中表明,可能引起大的经济损失。
4)目前的设计比较单一,缺灵活性。设计人员为了稳妥,通
按照规范出的条进行设计,而这往往已经形成定的模式和普遍适用
的标准。于过分依规范,设计人员对整建筑在地震中所现出的性能
2
来越,对有于抗震性能的研究缺性。实上,使是同一种地震
作用在不同地、不同结构上时的全不同的,如果所有具设计都采
用同一个公来完成那显然是不合适的。
5基于的设
[6] 在设计中,结构的基本期是的,其影响多,是规范中将问
验公式,估算的结果偏于保 规范中的水平地震力弹性加
谱确定,是结构在地震作用下会进入非线,此时需将该力进行
系数受多种因的综合影响; 规范中出的结构位移值通是用
验算的,这设计人员就不能有效把握结构在地震其是大震作用下的行为。
基于对现行规范不足的分析和认进现有的抗震设计理,使结构在
未来地震中现出更人满意的抗震性能,这是地震设计人员所要面的重要
而基于性能抗震设计思想也由此应而生。
§1.2.2 基于性能抗震设计理论的提出及研究现
基于性能抗震设计思想1976年新西兰学者Park提出的基于能力原理的抗震
设计中就有所现。目前认的最早提出这一思想的是国加大学伯克利
J.P.Moehle教授1992年提出了基于位移的抗震设计理论[7],这一全新的概念
初应用于设计。1995年,21员会(Vision2000 Committee
SEAOC)首提出基于性能抗震设计思想,初步建立了基于性能抗震设计的框架
[8]1996年,国应用技术会(Applied Technology Council)出ATC-40报告
[9]式将基于性能的抗震设计思想入该报告中。同年,联邦急事务
构 ( F e d e r a l E m e r g e n c y M a n a g e m e n t A g e n c y) 出 F E M A 2 7 3
[ 1 0 ]
FEMA274[11]份报告,并在报告中提出了种以性能分析为基础的RC结构抗震设
计方法(包括弹性静力分析方法、弹性力分析方法、弹塑性静力分析方法及弹塑
力分析方法)。1997年,Bertero[12]提出了基于性能的地震工程,其中的基于性
能抗震设计方法本地震工程界,并到了广
较早开展基于性能抗震设计研究的国之一。在多方资下,本建
筑学界于1995了“新型建筑结构发”目,该时三年,
建基于性能的结构设计方法,推动技术[13]1999年,本建设
建筑标准法,并于6提出了基于性能的抗震设计构,以充现行
规范。新型建筑结构明确规定了建筑的性能,使费者对建筑维持其性
能的方式和所需费用有了一定的了。该系有增强设计的灵活性、适应性及
调性,有于提高设计者对结构设计的力,进业主工程通,同时
充分认工程的地位和责任1999年起,本和举办
,就基于性能抗震设计理论的基本框架、性能水准及结构设计方法等内容进行
论,拉美在进行这类项目的研究[7]
目前,我国对基于性能的抗震设计理论的研究尚处于起步阶段。在1996
的中抗震规范学论会上,国学者就此理论进行过[14-17]探讨框架
结构的形容[18],将基于性能抗震设计理论结构优化设计合,
提出了基于性能的抗震优化设计概念[19]分学者建,中国2l世纪的抗震设计应
3
摘要:

平面不规则钢结构基于性能抗震设计方法研究摘要基于性能的结构抗震设计思想是二十世纪九十年代地震工程学界中出现的一种全新的理论,该理论一经提出就受到广大学者的关注。目前,国际上已普遍认可了基于性能的结构抗震设计的重要性和适用性。该理论摒弃了传统的抗震设计以保障生命安全为单一设防目标的缺陷,而是以提高结构抗震性能为目标,要求所设计的建筑结构既能保证安全可靠,又能满足业主的需求。然而在我国,这一理论的研究尚处起步阶段。因此,系统地研究这一设计理论,对我国抗震设计理论的发展具有重要的理论意义和实用价值。本文主要围绕平面不规则钢结构基于性能的抗震设计方法进行了以下几方面的研究工作。(1)论文首先对结构性能...

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