消能減震結構多級設防烈度下的性能化抗震設計方法
2023-10-31 08:01:02
專利名稱：消能減震結構多級設防烈度下的性能化抗震設計方法
技術領域：
本發明涉及一種土木工程領域中的消能減震結構抗震設計方法，尤其涉及一種性能化的抗震設計方法。
背景技術：
消能減震結構是指在結構物某些部位(如支撐、剪力牆、節點、聯結縫或連接件、樓層空間、相鄰建築間、主附結構間等)設置消能裝置(阻尼、粘彈性材料、摩擦元件等)，通過其局部變形提供附加阻尼，以耗散或吸收地震輸入結構中的能量，減小主體結構地震反應，達到預期防震的目的。近三十年，消能減震結構廣泛迅速地應用於工程實踐。2010年7月20日頒布的《建築抗震設計規範》(GB50011-2010)已擴大了消能減震房屋的適用範圍，在中國消能減震設計與應用會更加廣泛與深入。基於性能的抗震設計是國際抗震研究的前沿課題，也是世界各國抗震設計規範的發展方向，FEMA P695(2009)、FEMA440 (2005)、日本《建築基準法》(2003)、Eurocode8(2004)、美國建築和設施的性能規範(2009)、中國抗震規範(2010)等各國抗震規範都已開始採用基於性能的抗震設計。消能減震結構主要的分析方法包括:能力譜法(Capacity Spectrum Method, CSM)、目標位移法(Target Displacement)、需求能力係數法(Factored-Demand-to-Capacity Ratio, FDCR)、地震性能係數法(Seismic PerformanceFactors, SPF)等。能力譜法在譜加速度和譜位移坐標系下，通過能力曲線與地震需求譜曲線的交點，獲得性能點，確定結構在設防地震水準下的位移和塑性鉸分布等，從而評估結構的抗震能力。目標位移法是在設防地震水準下，綜合考慮多自由度體系轉換為單自由度體系的轉換係數、非彈性位移增大係數、滯回性能影響係數、結構的P-Λ效應等多重因素，建立了抗震能力和地震需求之間的關係。需求能力係數法也是基於設防地震水平，引入模型不確定性和地震不確定性係數和分析方法不確定性係數後，分析抗震能力和地震需求之間的關係。量化的地震性能係數法，通過反應修訂係數、超強係數和變形放大係數建立了設防地震下(最大應考慮地震烈度)與結構性能的關係，通過量化的地震性能係數法，建立和評估不同結構體系的性能水準，並計算倒塌裕度比。但是這些方法都是基於某一級地震烈度的地震作用下，完成性能抗震設計的。中國的抗震評估技術，如2010年11月10日公開的中國專利，公開號為CN101881089A，公開了一種鋼管混凝土建築物抗震性能評估方法及應用，其提供一種鋼管混凝土建築物的空間纖維梁的有限元模型，然後採用軟體對所述有限元模型進行計算，通過獲得的建築物最大層間位移角，對鋼管混凝土結構要求的最大層間位移角限值要求評估建築物的抗震性能，根據建築物抗震性能的評估結果設計建築物的抗震措施。但消能減震結構抗震設計方法是基於某一級設定烈度或地震動參數的條件下進行的。
發明內容
本發明的技術效果能夠克服上述缺陷，提供一種消能減震結構多級設防烈度下的性能化抗震設計方法，其一次完成多級烈度的消能減震結構性能化抗震設計。為實現上述目的，本發明採用如下技術方案:(I)採用分析方法獲得消能減震結構的底部剪力和位移的函數關係，或將消能減震結構的底部剪力和位移的函數關係轉化成單自由度體系下的底部剪力等效係數與位移的函數關係；(2)根據規定的設防地震烈度水平，按照消能減震結構應處的彈塑性狀態，對多級設防烈度下的地震作用進行調整，獲得調整後的多級設防烈度下的地震作用；(3)在等效的單自由度體系下，消能減震結構多級設防烈度下的性能化抗震設計步驟如下:1)進行最大層間位移角、頂點位移角、譜位移的轉換，將等效的單自由度體系下的能力曲線繪製在底部剪力等效係數和最大層間位移角、頂點位移角、譜位移為坐標軸的圖中；2)將調整後的多級設防烈度下的地震作用曲線，按照彈塑性狀態和相應的彈塑性位移，繪製在底部剪力等效係數和最大層間位移角、頂點位移角、譜位移為坐標軸的圖中；3)在等效的單自由度體系下，若等效的單自由度體系下的能力曲線與調整後的多級設防烈度下的地震作用曲線有性能交點，且性能交點對應的位移角滿足規定的某級設防烈度規定的位移角限制，說明本級設防烈度下，位移滿足要求；否則，不滿足位移要求；(4)在整體結構的體系下，消能減震結構多級設防烈度下的性能化抗震設計步驟如下:1)進行最大層間位移角、頂點位移角的轉換，將整體結構體系下的能力曲線繪製在底部剪力和最大層間位移角、頂點位移角為坐標軸的圖中；2)將調整後的多級設防烈度下的地震作用曲線，轉化成整體結構體系下的底部剪力，按照彈塑性狀態和相應的彈塑性位移，繪製在底部剪力等效係數和最大層間位移角、頂點位移角為坐標軸的圖中；3)在整體結構的體系下，若整體結構體系下的能力曲線與調整後的多級設防烈度下的等效底部剪力曲線有性能交點，且性能交點對應的位移角滿足規定的某級設防烈度規定的位移角限制，說明本級設防烈度下，位移滿足要求；否則，不滿足位移要求。分析方法採用靜力推覆分析法，靜力推覆分析法中施加分布的水平荷載，水平荷載單調增加。分析方法也可以採用增量動力分析法，增量動力分析法中，逐級提高地震輸入水平，至消能減震結構達到破壞狀態。工程結構包括框架結構、或剪力牆結構、或框架-剪力牆結構、或框支剪力牆結構、或筒中筒結構、或框架-核心筒結構。工程結構包括簡支板梁橋、或懸臂梁橋、或連續梁橋、或T形剛架橋、或吊橋、或斜拉橋、或懸索橋、或組合體系橋。工程結構包括電視塔、或儲油罐、或塔架、或倉庫、或水塔、或水池、或煙 、或隧道、或水壩。本發明一次完成多級烈度的性能化抗震設計，評估多級設防烈度下消能減震結構的抗震性能水平；評估在國家、地方的法令、規範、標準和規程規定的設防地震烈度水平下的消能減震結構性能抗震設計是否滿足要求；評估消能減震結構超越設防烈度的抗震性能裕度；因此，從更深層次實現了消能減震結構性能化抗震設計。一次完成多級烈度的消能減震結構性能化抗震設計，也極大地提高了設計的效率。
圖1為本發明的消能減震結構等效單自由度體系下的能力曲線與多級設防烈度地震作用曲線的比較示意圖2為本發明的消能減震結構整體結構體系下的能力曲線與多級設防烈度地震作用曲線的比較示意圖；其中，圖1: Θ -最大層間位移角；Λ-頂點位移角；S_譜位移；e-彈性位移限值或工作應力狀態位移或屈服位移；P-彈塑性位移限值或防止倒塌位移或生命安全位移屈服位移；u-極限位移；1，2，3，4，5，6_位移狀態底部剪力等效係數(地震影響係數或譜加速度)圖2: Θ -最大層間位移角；Λ-頂點位移角；BSF_底部剪力；e_彈性位移限值或工作應力狀態位移或屈服位移；p-彈塑性位移限值或防止倒塌位移或生命安全位移屈服位移；u-極限位移；1，2，3，4，5，6-位移狀態。
具體實施例方式本發明的方法包括如下步驟:(I)採用分析方法獲得消能減震結構的底部剪力和位移的函數關係，或將消能減震結構的底部剪力和位移的函數關係轉化成單自由度體系下的底部剪力等效係數與位移的函數關係；(2)根據國家、地方的法令、規範、標準和規程規定的設防地震烈度水平，按照消能減震結構應處的彈塑性狀態，對多級設防烈度下的地震作用進行調整，獲得調整後的多級設防烈度下的地震作用；(3)在等效的單自由度體系下，消能減震結構多級設防烈度下的性能化抗震設計步驟如下:1)進行最大層間位移角、頂點位移角、譜位移(等效的單自由度體系位移)的轉換，將等效的單自由度體系下的能力曲線繪製在底部剪力等效係數和最大層間位移角、頂點位移角、譜位移為坐標軸的圖中；2)將調整後的多級設防烈度下的地震作用曲線，按照彈塑性狀態和相應的彈塑性位移，繪製在底部剪力等效係數和最大層間位移角、頂點位移角、譜位移為坐標軸的圖中；3)在等效的單自由度體系下，若等效的單自由度體系下的能力曲線與調整後的多級設防烈度下的地震作用曲線有性能交點，且性能交點對應的位移角滿足法令、規範、標準和規程規定的某級設防烈度規定的位移角限制，說明本級設防烈度下，位移滿足要求；否則，不滿足法令、規範、標準和規程的位移要求；(4)在整體結構的體系下，消能減震結構多級設防烈度下的性能化抗震設計步驟如下:1)進行最大層間位移角、頂點位移角的轉換，將整體結構體系下的能力曲線繪製在底部剪力和最大層間位移角、頂點位移角為坐標軸的圖中；2)將調整後的多級設防烈度下的地震作用曲線，轉化成整體結構體系下的底部剪力，按照彈塑性狀態和相應的彈塑性位移，繪製在底部剪力等效係數和最大層間位移角、頂點位移角為坐標軸的圖中；3)在整體結構的體系下，若整體結構體系下的能力曲線與調整後的多級設防烈度下的等效底部剪力曲線有性能交點，且性能交點對應的位移角滿足法令、規範、標準和規程規定的某級設防烈度規定的位移角限制，說明本級設防烈度下，位移滿足要求；否則，不滿足法令、規範、標準和規程的位移要求。1、採用分析方法獲得消能減震結構的底部剪力和位移的函數關係，或將消能減震結構的底部剪力和位移的函數關係轉化成單自由度體系下的底部剪力等效係數與位移的函數關係，具體步驟如下:
(I)採用PUSHOVER靜力推覆法或IDA增量動力分析法，建立底部剪力和頂點位移角、層間最大位移角的關係，函數關係可表達為
權利要求
1.一種消能減震結構多級設防烈度下的性能化抗震設計方法，其特徵在於，包括如下步驟: (1)採用分析方法獲得消能減震結構的底部剪力和位移的函數關係，或將消能減震結構的底部剪力和位移的函數關係轉化成單自由度體系下的底部剪力等效係數與位移的函數關係； (2)根據規定的設防地震烈度水平，按照消能減震結構應處的彈塑性狀態和消能減震結構的附加阻尼比，對多級設防烈度下的地震作用進行調整，獲得調整後的多級設防烈度下的地震作用； (3)在等效的單自由度體系下，消能減震結構多級設防烈度下的性能化抗震設計步驟如下:1)進行最大層間位移角、頂點位移角、譜位移的轉換，將等效的單自由度體系下的能力曲線繪製在底部剪力等效係數和最大層間位移角、頂點位移角、譜位移為坐標軸的圖中；2)將調整後的多級設防烈度下的地震作用曲線，按照彈塑性狀態和相應的彈塑性位移，繪製在底部剪力等效係數和最大層間位移角、頂點位移角、譜位移為坐標軸的圖中；3)在等效的單自由度體系下，若等效的單自由度體系下的能力曲線與調整後的多級設防烈度下的地震作用曲線 有性能交點，且性能交點對應的位移角滿足規定的某級設防烈度規定的位移角限制，說明本級設防烈度下，位移滿足要求；否則，不滿足位移要求； (4)在整體結構的體系下，消能減震結構多級設防烈度下的性能化抗震設計步驟如下:I)進行最大層間位移角、頂點位移角的轉換，將整體結構體系下的能力曲線繪製在底部剪力和最大層間位移角、頂點位移角為坐標軸的圖中；2)將調整後的多級設防烈度下的地震作用曲線，轉化成整體結構體系下的底部剪力，按照彈塑性狀態和相應的彈塑性位移，繪製在底部剪力等效係數和最大層間位移角、頂點位移角為坐標軸的圖中；3)在整體結構的體系下，若整體結構體系下的能力曲線與調整後的多級設防烈度下的等效底部剪力曲線有性能交點，且性能交點對應的位移角滿足規定的某級設防烈度規定的位移角限制，說明本級設防烈度下，位移滿足要求；否則，不滿足位移要求。
2.根據權利要求1所述的消能減震結構多級設防烈度下的性能化抗震設計方法，其特徵在於，消能減震結構採用的消能器包括變阻尼型、變阻尼-剛度型兩種，變阻尼型消能器採用黏滯消能器，變阻尼-剛度型消能器採用金屬屈服消能器、摩擦消能器和黏彈性消能器。
3.根據權利要求1所述的消能減震結構多級設防烈度下的性能化抗震設計方法，其特徵在於，步驟(I)中的分析方法採用靜力推覆分析法。
4.根據權利要求3所述的消能減震結構多級設防烈度下的性能化抗震設計方法，其特徵在於，靜力推覆分析法中施加分布的水平荷載，水平荷載單調增加。
5.根據權利要求1所述的消能減震結構多級設防烈度下的性能化抗震設計方法，其特徵在於，步驟(I)中的分析方法採用增量動力分析法。
6.根據權利要求5所述的消能減震結構多級設防烈度下的性能化抗震設計方法，其特徵在於，增量動力分析法中，逐級提高地震輸入水平使結構構件逐步屈服。
7.根據權利要求4或6所述的消能減震結構多級設防烈度下的性能化抗震設計方法，其特徵在於，工程結構包括框架結構、或剪力牆結構、或框架-剪力牆結構、或框支剪力牆結構、或筒中筒結構、或框架-核心筒結構。
8.根據權利要求4或6所述的消能減震結構多級設防烈度下的性能化抗震設計方法，其特徵在於，工程結構包括簡支板梁橋、或懸臂梁橋、或連續梁橋、或T形剛架橋、或吊橋、或斜拉橋、或懸索橋、或組合體系橋。
9.根據權利要求4或6所述的消能減震結構多級設防烈度下的性能化抗震設計方法，其特徵在於，工程結構包括電視塔、或儲油罐、或塔架、或倉庫、或水塔、或水池、或煙囪、或隧 道、或水壩。
全文摘要
本發明涉及一種土木工程領域中的抗震設計方法。本發明的消能減震結構多級設防烈度下的性能化抗震設計方法，包括如下步驟(1)採用分析方法獲得消能減震結構的底部剪力和位移的函數關係；(2)根據規定的設防地震烈度水平，按照消能減震結構應處的彈塑性狀態和消能減震結構的附加阻尼比，對多級設防烈度下的地震作用進行調整，獲得調整後的多級設防烈度下的地震作用；(3)在等效的單自由度體系下，消能減震結構多級設防烈度下的性能化抗震設計；(4)在整體結構的體系下，消能減震結構多級設防烈度下的性能化抗震設計。本發明一次評估多級設防烈度下消能減震結構的抗震性能水平。
文檔編號E04H9/02GK103161347SQ20111041919
公開日2013年6月19日 申請日期2011年12月15日 優先權日2011年12月15日
發明者劉文鋒 申請人:青島理工大學