建筑结构基于性能的抗震设计

建筑结构基于性能的抗震设计---基本概念同济大学土木工程学院结构工程与防灾研究所吕西林（所长、教授）2地震是一种破坏力极强的自然灾害天然地震包括:构造地震火山地震塌陷地震地震造成的灾害分为：直接灾害间接灾害3一、直接灾害：地震灾害主要有：地面破坏地面裂缝、塌陷、喷水冒砂等；建筑物与构筑物的破坏房屋倒塌、桥梁断落、水坝开裂、铁轨变形等；山体等自然物的破坏山崩、滑坡等；海啸海底地震引起的巨大海浪冲上海岸，可造成沿海地区的破坏；地光烧伤虽不常见，但我国海城、唐山等地震均有此例。4二、次生灾害：直接灾害发生后，破坏了自然或社会原有的平衡、稳定状态，从而引发出的灾害。次生灾害所造成的伤亡和损失可能直接灾害还大，主要的次生灾害有：火灾由震后火源失控引起；水灾由水坝决口或山崩拥塞河道等引起；毒气泄漏由建筑物或装置破坏等引起；瘟疫由震后生存环境的严重破坏而引起。5地震对人类社会的危害主要表现在两个方面：(1)地震引起建筑物的破坏、倒塌将导致严重的人身伤亡和惨重的财产损失;(2)地震以及地震造成的水灾、火灾等次生灾害将破坏人类社会生存的自然环境，产生巨大的社会影响。6近年来地震及损失情况统计时间地点震级死亡人数经济损失1992.3.13土耳其，艾耳津坎6.88008亿美元1993.9.29印度，凯拉里6.2100001994.1.17美国，北岭6.757200亿美元1995.1.17日本，神户7.254381000亿美元1995.5.27俄罗斯，萨哈林7.6296510亿美元1996.2.23中国，丽江7.030925亿美元1996.3.19中国，伽师6.93亿美元1996.5.13中国，包头6.42627亿美元1997.5.10伊朗，伽恩－伊尔兼得7.11560亿美元1998.2.9中国，张北6.2499亿美元1999.8.17土尔其，伊兹米特7.414000100亿美元1999.9.21中国台湾，集集7.32450100亿美元7近年来震害造成的经济损失近年来的震害说明随着经济的发展、结构设防措施的不断进步，地震造成的人员伤亡显著下降，但造成的经济损失却让社会难以承受：1989年美国LomaPrieta地震1994年美国Northridge地震直接经济损失200亿美元1995年日本阪神地震交通水电中断，导致严重次生灾害，经济财产损失巨大，造成直接经济损失大于1000亿美元1999年我国台湾集集地震生产计算机芯片的工厂遭受破坏，将会导致全球的计算机价格上涨，直接经济损失大于100亿美元8地震灾害呈现的新特点随着经济全球化和网络经济的发展，一时一地的严重自然灾害会引起全球经济的震荡.智能化程度越高、技术密集性越高，系统所在的结构物遭受破坏后，其灾难性后果就越严重.“三水准，两阶段”的抗震设防思想以保障生命安全为主要设防目标，而如今的建筑物往往建造费用高昂，装修、非结构构件和技术装备的损坏所造成的损失经常令业主难以承受.9我国抗震设计理论的发展我国在1956年编制了第一个中国地震烈度区划图.1959年提出我国第一个抗震设计规范草案.1964年提出我国第二个抗震设计规范草案，使用地震系数来计算地震作用，设计方法主要为等效静力法与反应谱法.1974年出版了我国第一部正式批准的抗震规范1978年根据唐山、海城地震震害经验，对1974版规范进行了修改，正式出版了《工业与民用建筑抗震设计规范TJ11-78》.k101990年正式实施的建筑科学研究院修订的《建筑抗震设计规范GBJ11-89》采用了以概率可靠度为基础的三水准（小震不坏、中震可修、大震不倒）两阶段（小震下的截面验算和大震下的结构变形验算）的抗震设计思想.《建筑抗震设计规范GBJ50011-2001》取消了近震、远震的概念，代之以设计地震分组概念；提出了长周期和不同阻尼比的设计反应谱；增加了结构规则性的定义等.11实际地震灾害表明：恰当的抗震设计能够减轻地震灾害；抗震设计方法需要进一步完善台湾9.21地震灾害底层柱子数量少，间距太大.建筑物底部为大空间，上下刚度差异过大，形成底部薄弱层.12柱子内埋设管线（水、排水、电、气、电话）等，虽然节省了空间，但大大降低了抗震性能.柱子的有效承重面积不足，柱端箍筋不够，造成柱端破坏.结构体系差，设计不合理，底部局部用柱支承.13我国现行的结构抗震设计我国现行的结构抗震设计是基于承载力或强度的设计方法：采用了“小震不坏、中震可修、大震不倒”三水准设防目标和两阶段抗震设计方法.采用弹性方法计算结构在小震作用下的内力和位移，用计算所得的组合内力验算构件截面.为了防止非结构构件发生破坏，进行使用阶段的位移验算.结构的延性和耗能能力大多是通过构造措施获得.对特别重要和地震时容易倒塌的建筑，进行薄弱层弹塑性变形验算和采取相应措施，限制其水平位移.14我国抗震设计规范所采取的地震水准、结构性能水准和性能指标地震水准结构性能水准性能指标多遇地震烈度（重现期50年）一般不受损坏或不需修理可继续使用力－位移抗震设防地震烈度（重现期475年）可能损坏，经一般修理或不需修理仍可继续使用不明确罕遇地震烈度（重现期1975年）不倒塌或发生危及生命的严重破坏位移15我国建筑抗震设防分类和设防标准设防类别建筑地震作用抗震措施甲类重大建筑工程和地震时可能发生严重次生灾害的建筑高于本地区抗震设防烈度的要求，其值应按批准的地震安全评价结果确定抗震设防烈度为6～8度时，应符合本地区抗震设防烈度提高一度的要求，抗震设防烈度为9度时，应符合比9度更高的要求乙类地震中使用功能不能中断或需要尽快恢复的建筑应符合本地区抗震设防烈度的要求抗震设防烈度为6～8度时，应符合本地区抗震设防烈度提高一度的要求，抗震设防烈度为9度时，应符合比9度更高的要求丙类除甲、乙、丁以外的一般建筑应符合本地区抗震设防烈度的要求应符合本地区抗震设防烈度的要求丁类抗震次要建筑应符合本地区抗震设防烈度的要求应允许比本地区抗震设防烈度的要求适当降低，但抗震设防烈度为6度时不应降低16现行设计方法存在的不足设计目标为保证生命安全具体实施的抗震设计方法的实质仍主要是采用基于强度(或承载力)的设计方法，难以对建筑物进行经济性评估.线性状态的假定不符合实际现行的建筑结构抗震设计方法是基于承载力辅以层间位移角验算的设计，这种设计方法都假定结构处于线性状态，这与实际的非弹性状态下考虑时间历程的分析结果不相一致。基于承载力的抗震设计不能预估结构屈服后的变形能力及在大震时的实际行为.17三水准抗震设防思想规定比较模糊“大震不倒，中震可修，小震不坏”的三水准抗震设防思想规定比较模糊，在实际设计中很难控制.“不坏”、“可修”、“不倒”主要针对主体结构在大的地震作用下，建筑物的非结构构件破坏得不到有效控制。虽然结构的主要构件可能没有受到严重损害，但是，往往因为维持建筑物正常运行的非结构构件等丧失功能而造成巨大的财产损失.18现行的反应谱法和时程分析法需要改进目前所广泛采用的反应谱法仍存在许多不足之处：首先，反应谱法不能有效地考虑强震时结构的非线性行为；其次，不能考虑基础与土之间的动力相互作用；再次，不能考虑地震动持时长短的影响；并且，反应谱理论只能给出结构的最大地震反应，不能给出结构反应的全过程，以及结构各构件的破坏机理；此外，反应谱法对于非比例阻尼结构以及不规则结构的分析效果还不理想19时程分析还不能广泛应用：时程分析所用的地震波为实际的强震记录或人工地震波，结构对不同的地震波输入的敏感度不同，输入后的反应将会有较大的差异.时程分析耗时长，分析比较复杂，不便于在工程中广泛应用.20对现行规范的重新修订便成为必然的趋势现代及未来的建筑不仅要防止倒塌，还要考虑控制地震造成的经济损失大小、保证结构的使用功能的延续,实现建筑结构性能目标的“个性化”现代建筑向高层化和功能多样化发展维持建筑物正常运行的非结构构件和技术装备的破坏使建筑物不能正常使用巨大的财产损失修订现行规范21性能设计概念的提出1976年，新西兰学者帕克（Park）提出的基于能力原理的抗震设计，其中已包含许多关于性能设计的思想1981年Sozen首先系统地阐述了控制结构位移的抗震设计思想上个世纪初，Moehle提出了基于位移的抗震设计理论1995年，Kowalsky和Calvi提出了一种直接基于位移的抗震设计方法二十世纪九十年代，美、日学者提出并开始研究建筑结构基于性能/位移的抗震设计，随后得到各国的广泛关注.22美国正在大力开展性能设计的研究美国联邦紧急救援署（FEMA)和国家自然科学基金委员会资助开展了基于性能的结构抗震设计在未来规范中的应用的研究，该项目包括：应用技术理事会的ATC-33加利福尼亚州大学Berkeley分校地震工程中心的EERC-FEMA加州结构工程师学会的SEAOCVision200023基于性能的抗震设计在各国的应用情况美国国际规范委员会ICC发布了《建筑物及设施的性能规范》日本已于2006年6月采用了新的基于性能的结构抗震规范(BuildingStandardLaw)我国2004年颁布《建筑工程抗震性态设计通则》（试用）24基于性能的抗震设计（PerformanceBasedSeismicDesign）的含义性能设计的描述：性能设计应该是选择一定的设计标准，恰当的结构形式，合理的规划和比较，保证建筑物的结构与非结构的细部构造设计，控制建造质量和长期维护水平，使得建筑物在使用寿命周期中遭受一定地震力作用下，结构的破坏不超过一个特定的极限状态。25基于性能的抗震设计的目标根据建筑物的重要性和用途，确定预期的性能目标，由不同的性能目标提出不同的抗震设防标准，使设计的建筑在未来地震中具备预期功能，从而使建筑物在整个生命期内，在遭遇可能发生的地震作用下，总的费用达到最小。26基于性能的地震工程性能设计是基于性能的地震工程中的一个环节，基于性能的地震工程包括：结构设计（有时还需要试验验证）建造施工监测维护以保证结构在不同强度的地震作用下能维持预期的性能水平27基于性能的抗震设计包含的内容地震风险水平的确定结构性能水平和目标性能的选择场地的确定概念设计、初步设计、最终设计中的可行性检查、设计方案确定及设计审核、实验验证等结构施工中质量保证和使用过程中的检测维护28地震使用分组我国现行规范将建筑物按重要性等级划分为甲、乙、丙、丁四类；根据FEMA（368）建议，所有的建筑应该划分到各自的地震使用分组中，FEMA将建筑物划分为3个地震使用分组（SeismicUseGroup）29地震使用分组III:地震使用分组III中所涵盖的建筑为地震后需要尽快恢复设施和放置有毒物质的建筑物，包括：1.消防、救援和警署；Fire,rescue,andpolicestations2.医院；Hospitals3.特殊的化学机构，放置紧急救援设施；medicalfacilitieshavingemergencytreatmentfacilities4.特定的紧急灭火中心；Designatedemergencypreparednesscenters5.特定的紧急手术中心；Designatedemergencyoperationcenters6.特定紧急避难所；Designatedemergencyshelters7.能源供应站或为其他地震使用分组设施提供紧急防备的公用设施；Powergeneratingstationsorotherutilitiesrequiredasemergencyback-upfacilitiesforSeismicUseGroupIIIfacilities308.紧急车库和紧急飞机库；Emergencyvehiclegaragesandemergencyaircrafthangars9.特定的交流中心；Designatedcommunicationcenters10.航空控制塔和空中运输控制中心；Aviatio