第三讲 抗震设防水准与性能水准

专题一：基于性能的抗震设计理论——抗震设防水准与性能水准西南交通大学土木工程学院建筑工程系刘艳辉副教授2016.3.7教学计划绪论部分第一周绪论专题一：基于性能的抗震设计理论第二周基于性能的抗震设计理论研究背景介绍第三周抗震设防水准与性能水准第四周Push-over分析方法第五周延性需求谱方法第六周机动时间1专题二：连续倒塌设计理论第七周连续倒塌设计理论研究背景第八周倒塌判别标准第九周设计方法1——构造措施方法第十周设计方法2——拆除构件法第十一周机动时间2专题三：钢-混凝土组合结构第十二周钢-组合结构研究进展第十三周混凝土本构模型介绍第十四周试验研究第十五周试验影响因素分析第十六周机动时间3总结部分第十七周提交论文专题2：连续倒塌设计理论1.研究进展2.混凝土本构模型3.组合梁试验研究4.试验影响因素分析及结论专题3：钢-混凝土组合结构1.理论背景2.抗震设防水准3.性能水准4.设计方法专题1：基于性能的抗震设计理论绪论1.什么是现代建筑？2.现代建筑面临的问题3.本课程的主要内容4.教学计划和考评关注重点：研究进展、Push-over分析方法、延性需求谱、地震波选波问题。关注重点：研究进展，本构关系，试验方法研究的主要步骤及细节问题1.理论背景2.倒塌判别标准3.设计方法一4.设计方法二关注重点：研究进展、倒塌判别标准研究、拆除构件法今天讲课内容Contentintoday'slecture抗震设防水准Seismicprecautionarycriterion性能水准Performancelevel基于性能的抗震设计理论实际上是一个总体设计思想，主要指结构在受到不同水平地震（不同概率地震）作用下的性能达到一组预期的性能目标。这一理论的提出，是结构抗震设计思想的一次重大变革，它使抗震设防目标由传统的以生命安全为单一设防目标转为综合考虑生命安全与财产损失两方面的具体要求，强调了“个性”设计。什么是性能抗震设计理论呢?上世纪90年代初，美国学者VitelmoV.Bertero提出了基于性能的抗震设计理论。VitelmoV.Bertero：UniversityofCalifornia,Berkeley,California,UnitedStatesPEER：PacificEarthquakeEngineeringResearchCenterP.FajfarH.Krawinkler主要文献：ATC-40、FEMA273/274、SEAOCVision2000报告奠定了基于性能的抗震设计理论的基础。ATC——美国应用技术理事会、FEMA——美国联邦紧急事物管理局SEAOC——加州结构工程师学会日本在1995年阪神大地震后,对这一理论开始了广泛的研究日本阪神大地震：1995年1月17日05点46分Magnitude:ML=7.2人员伤亡:5,373名死亡受灾人数:约32,000名财产损失:1000亿美元谢礼立我国学者于1996年开始关注这一理论。CECS160:2004,中国工程建设标准化协会标准.建筑工程抗震性态设计通则(试用).北京:中国计划出版社,2004地震设防水准：指工程设计中如何根据客观的设防环境和已定的设防目标，并考虑具体的社会经济条件来确定采用怎样的设防参数，或者说，应该选择多大强度的地震作为防御的对象性能水准：指结构在某一特定设防地震等级下预期破坏的最大程度。基于性能的抗震设计方法：包含传统的基于力的抗震设计方法和基于位移的抗震设计方法。性能抗震设计理论在我短短的一生里，百年一遇的洪水见过10次，千年一遇的地震见过2次，唯独四年一遇的……还没遇见过。更糟糕的是，在天灾无情人祸更甚面前，…………………………。这就是我的传奇一生，我娇傲呀！1.结构的地震设防水准指工程设计中如何根据客观的设防环境和已定的设防目标，并考虑具体的社会经济条件来确定采用怎样的设防参数，或者说，应该选择多大强度的地震作为防御的对象.《欧洲桥梁抗震规范》规定了设计地震动参数的结构使用期、设计加速度超越概率和重现周期，并考虑结构重要性系数；美国的强地震主要发生在西岸，其建筑抗震设防标准分类规定了按地震活动性参数、建筑物重要性来划分；日本的桥梁抗震设防标准分类规定了按地震区域系数、结构重要性系数来划分。我国与欧洲、美国相同1.结构的地震设防水准①客观部分②主观部分③多少个抗震设防等级合适？小震：50年内超越概率为63%的烈度的地震，重现期为50年；中震：50年内超越概率为10%的烈度的地震，重现期为475年；大震：50年内超越概率为2～3%的烈度的地震，重现期为1641～2475年。“大震不倒、中震可修、小震不坏”抗震设计理念①客观部分50年内——设计基准期结构的设计基准期：为确定可变作用及与时间有关的材料性能等取值而选用的时间参数，它不等同于建筑结构的设计使用年限，也不等同于建筑结构的寿命。一般设计规范所采用的设计基准期为50年，即设计时所考虑荷载和作用的统计参数均是按此基准期确定的。小震：50年内超越概率为63%的烈度的地震，重现期为50年；中震：50年内超越概率为10%的烈度的地震，重现期为475年；大震：50年内超越概率为2～3%的烈度的地震，重现期为1641～2475年。超越概率在一定时期内(?)，工程场地可能遭遇大于或等于给定的地震烈度值或地震动参数值的概率。通俗的说，就是要求的值超出给定值的概率。地震烈度：地震时某一地区的地面和各类建筑物遭受到一次地震影响的强弱程度。地震动参数：地震加速度（速度、位移）时程曲线、加速度反应谱和峰值加速度。小震：50年内超越概率为63%的烈度的地震，重现期为50年；中震：50年内超越概率为10%的烈度的地震，重现期为475年；大震：50年内超越概率为2～3%的烈度的地震，重现期为1641～2475年。0()lim,xPxXxxfxx性质：1o0)(xf2o1)(dxxff(x)xo面积为1这两条性质是判定一个函数f(x)是否为某随机变量X的概率密度函数的充要条件.如何求概率？由概率密度函数积分求得概率密度函数（在不至于混淆时可以简称为密度函数）是一个描述这个随机变量的输出值，在某个确定的取值点附近的可能性的函数。天津大学，史道济，《极值统计》极值分布往往用于描述偶然荷载的概率密度分布，如地震荷载、风荷载、泥石流等。极值分布有三个参数来描述（1）期望、均值，（2）尺度参数，表示波动范围，（3）形状参数，表示曲线尾部的厚度。重现期：地震重现期也叫做回归期，英文叫做recurrenceinterval或returnperiod。即地震多少年发生一次，用来说明发生的概率，回归期越长，地震发生的概率越低。地震的重现期TR，设计基准期TL和该基准期内的地震发生的超越概率P之间存在下列关系式:TLTLTLNTRP111111小震：50年内超越概率为63%的烈度的地震，重现期为50年；中震：50年内超越概率为10%的烈度的地震，重现期为475年；大震：50年内超越概率为2～3%的烈度的地震，重现期为1641～2475年。②主观部分:重要性常用做法:用不同的重要性系数调整地震荷载的大小。缺点:不直观，我国建筑结构的设计基准期通常取为50年，采用以上重要性系数，很难直观说明考虑了重要性差别后桥梁到底提高了多少安全性。办法:谢礼立提出了对不同重要性类别的建筑采用调整设计基准期的方法来提高或降低其设防标准这一思想，这种做法物理概念清楚，工程意义明确，容易被人理解和接受。谢礼立，张晓志，周雍年.论工程抗震设防标准.地震工程与工程振动,1996,16,(1):1～7地震的重现期TR，设计基准期TL和该基准期内的地震发生的超越概率P之间存在下列关系式：以《基于性能抗震设计理论的城市高架桥抗震性能研究》论文为例TLTLTLNTRP111111即取地震重现期TR为设计基准期TL的N倍。因此，设计基准期和超越概率之间存在着一一对应的关系可以采用不同的设计基准期来标度桥梁结构的重要性，较重要的结构可以赋予较长的基准期。重要性等级路线等级设计基准期（使用年限）（年）一级快速路上的高架桥100二级主干道上的高架桥80三级次干道上的高架桥50四级支路上的高架桥30不同重要性城市高架桥分类设防水准重要性类别一级二级三级四级内超越概率63%39%46%63%81%内超越概率50%29%35%50%69%内超越概率10%5.1%6.4%10%16%内超越概率5%2.5%3.2%5%8.2%内超越概率2%1.0%1.3%2%3.3%TLTLTL不同设计基准期的设防地震相当于50年内的超越概率③多少个抗震设防等级合适？作为多级抗震设防思想的一个基本问题———多水平设防究竟需要几级设防?因为把连续变化的结构性能分级,控制点越多,可能越接近实际,但是控制点越多,会使设计变得复杂。但控制点少,可能会达不到预期的设计目的。在设计使用期内,结构造价(包括非结构和室内物品)与未来损失之和最小为原则,考虑到结构造价比较容易估计,那么未来损失估计合理与否将直接影响多级设防能够真正达到既安全又经济的设防目的。采用不同分级情况下估计得到的经济损失值与连续变化情况下估计的经济损失值进行比较,从分析的结果可以看出目前三水平设防等级还不足以控制结构未来的经济损失,而设防水平达到五个等级时,可以看出两种方法给出的经济损失估计值比较接近。地震发生频度地震设防水准重现期/a超越概率多遇水准14330a内50%偶遇水准27250a内50%罕遇水准347550a内10%稀罕水准497050a内5%或100a内10%极稀罕水准5247550a内2%SEAOCVision2000建议的多级地震设防水准设防地震等级重现期/a超越概率多遇5050a内63%偶遇7250a内50%罕遇47550a内10%稀罕97050a内5%极稀罕247550a内2%城市高架桥地震设防水准建议值2性能指标结构的抗震性能水准是指结构在某一特定设防地震等级下预期破坏的最大程度。基于性能的抗震设计趋势是将结构构件、非结构构件等多种因素考虑进去，由此划分的抗震性能水准更具体细致，使人们的选择范围更灵活。性能水准有两种彼此关联的表示方式：一种是定性的描述，另一种是定量的描述。前者主要针对非专业人员，如关于破坏程度（完好、轻微破坏、中等破坏、严重破坏）、运营情况（如充分运行、基本运行、生命安全、倒塌）等的描述；后者主要针对专业人员，用于设计、维修、评估等，采用的指标通常为位移、延性系数、能量耗散、损伤指标等。性能水准建筑使用情况充分运行建筑和设备的功能在地震时或震后能继续保持，建筑结构完好运行指建筑基本功能可继续保持，一些次要的构件可能轻微破坏，建筑结构基本完好基本运行建筑的基本功能不受影响，结构的关键和重要部件以及室内物品未遭破坏。结构可能损坏，但经一般修理或不需修理仍可继续使用生命安全建筑的基本功能受到影响，主体结构有较重破坏但不影响承重，非结构部件可能坠落，但不致伤人，生命安全能得到保障接近倒塌建筑的基本功能不复存在，主体结构有严重破坏，但不致倒塌《建筑工程抗震性态设计通则（试用）》建议的5级性能水准性能水准的量化是目前研究的热点问题.1.理论研究方法2.试验方法3.震害调查法性能水准完好基本完好轻微破坏中等破坏严重破坏破损指标00～0.10.1～0.40.4～0.60.6～1.0表2-10城市高架桥在各性能水准下的破损指标性能水准基本完好轻微破坏中等破坏严重破坏倒塌Park-Ang[100]0～0.10.1～0.250.25～0.40.4～1.01.0Kunnath[102]0～0.10.1～0.250.25～0.40.4～0.80.8Ghobaran[101]0～0.150.15～0.30.3～0.80.8牛荻涛0～0.20.2～0.40.4～0.650.65～0.90.9刘伯权0～0.10.11～0.300.31～0.60.61～0.850.86～1.0欧