79.钢结构性能化设计

结构的性能设计•一、中国抗震设计理论框架•二、为什么进行性能设计及其特点•三、各种性能设计与各水准设计方法•四、抗震规范对钢结构性能设计的要求•五、新钢标性能设计解读•六、软件实现•一、中国抗震设计理论框架•二、为什么进行性能设计及其特点•三、各种性能设计与水准设计方法•四、抗震规范对钢结构性能设计的要求•五、新钢标性能设计解读•六、软件实现•三水准两阶段设计法中国抗震设计理论框架GGkEEkRERSS内力调整构造要求罕遇地震下作用下的弹塑性分析结构规则性多遇地震作用下的弹性分析中国抗震设计理论框架第一水准-1.55度一般结构不受损失或不需修理小震：50年基准期超越概率63%重现期50年第二水准基本烈度中震：50年基准期超越概率10%重现期475年可能损坏、经一般修理或不需要修理可继续使用第一阶段设计线弹性分析构造第三水准+1度大震：50年基准期超越概率2-3%重现期2000-2500年不至倒塌或者发生危及生命的严重破坏第二阶段设计非线性分析•抗震设计方法及流程图中国抗震设计理论框架•一、中国抗震设计理论框架•二、为什么进行性能设计及其特点•三、各种性能设计与各水准设计方法•四、抗震规范对钢结构性能设计的要求•五、新钢标性能设计解读•六、软件实现•规范提到的相关要求•抗震设计的高层建筑混凝土结构，当其房屋高度、规则性、结构类型等超过本规程的规定或抗震设防标准等有特殊要求时，可采用结构抗震性能设计方法进行补充分析和论证。（《高规》1.0.3条）•特别不规则的建筑，应经专门研究，采取更有效的加强措施或对薄弱部位采用相应的抗震性能化设计方法。（《抗规》3.4.4条）为什么进行抗震性能设计•通过现行抗震规范的设计，可以实现的基本抗震性能目标为“小震不坏、中震可修、大震不倒”。•该基本抗震设防目标以生命安全为惟一目标的单一设防标准。为什么进行抗震性能设计•1、多次大地震及特大地震的震害表明，由于城市的发展和城市人口密度的增加，城市设施复杂，经济生活节奏加快，地震灾害所引起的经济损失急剧增加，因此，以生命安全为抗震设防惟一目标的单一设防标准是不全面的，应考虑控制建筑和设施的地震破坏，保持地震时正常的生产、生活功能，减少地震对社会经济生活所带来的危害，有必要采用高于（或不低于）基本抗震设防目标的性能化设计方法。为什么进行抗震性能设计•2、建筑的平面和立面的复杂程度增加，按常规设计方法进行的抗震设计往往不能完全满足抗震设计要求。性能设计是解决复杂工程抗震设计问题的有效方法，也是抗震概念设计的集中体现。•3、对很多结构，尤其是钢结构，虽然处于地震区，但地震作用并不是结构设计中的主要控制因素，其构件实际具有的抗震承载力很高，抗震构造可适当降低，从而降低能耗，节省造价。为什么进行抗震性能设计•抗震设计从宏观定性目标向具体量化的多重目标过渡•业主可选择所需的结构性能目标•抗震设计强调根据性能目标进行深入分析和论证，利于结构创新。可以采用现行规范中未规定的新结构体系、新材料和新技术•可根据不同的设防烈度、场地条件及建筑重要性，灵活采用不同的性能目标和构造措施抗震性能设计的特点•建筑抗震设计规范GB50011-2010第3.10节、附录M、第8.1.3节、第9.2.14节•高层建筑混凝土结构技术规程JGJ3-2010第3.11节•钢结构设计标准GB50017-2017第17章涉及抗震性能设计的规范条文•抗震性能设计，是一种建立在概念设计基础上的抗震设计新理念。其抗震设防目标不应低于规范的最基本抗震性能目标。•不同地震动（小震、中震、大震）•不同构件（关键构件、普通竖向构件、耗能构件）•同一构件的不同内力（轴力、弯矩、剪力）•强柱弱梁、强墙肢弱连梁、强剪弱弯等概念设计抗震性能设计核心理念及要求•指定不同的性能目标（或性能水准）进行设计，保证结构在地震下的安全性能（承载力、继续承载的能力）和使用性能•“小震不坏、中震可修、大震不倒”也是一种最基本的抗震性能目标•能化设计的基本思路是：“高延性，低弹性承载力”或“低延性，高弹性承载力”抗震性能设计核心理念及要求•性能化设计的钢结构，抗震准则如下：验算本区抗震设防烈度的多遇地震作用的构件承载力和结构弹性变形（小震不坏）、根据其延性验算设防地震作用的承载力（中震可修）、验算其罕遇地震作用下的弹塑性变形（大震不倒）抗震性能设计核心理念及要求•一句话概括：抗震性能化设计是根据工程的具体情况，立足于承载力和变形能力的综合考虑，确定合理的抗震性能目标、采取恰当的计算和抗震措施，实现抗震性能目标的要求。抗震性能设计核心理念及要求需进行抗震性能化设计的具体情况举例•抗震性能化设计贯穿于结构抗震设计的始终，并不神秘。结构设计中的许多工作其实就是抗震性能设计的具体内容，举例说明如下：•1、对起疏散作用的楼梯，提出采取加强措施，使之成为“抗震安全岛”的要求，确保大震下能具有安全避难和逃生通道的具体目标和性能要求，这是对具体部位提出的满足地震时功能要求的抗震性能目标。•2、对特别不规则结构、复杂建筑结构，根据具体情况对抗侧力结构的水平构件和竖向构件提出相应的性能目标要求，提高结构或关键部位结构的抗震安全性。需进行抗震性能化设计的具体情况举例•3、对错层结构的错层部位提出中震承载力设计要求。•4、对框支梁及框支柱按“中震”设计。由于框支梁及框支柱承托上部结构，为重要的结构构件，因此按“中震弹性“或“中震不屈服”设计。对应的性能目标就是在设防烈度地震（“中震”）作用下，框支梁及框支柱仍处于弹性（或不屈服）状态。•6、重要结构的门厅柱按“中震”设计。由于门厅柱数层通高，且作为上部楼层竖向荷载的主要支承构件，属于重要的结构构件，因此按“中震弹性”或“中震不屈服”设计。对应的性能目标就是在设防烈度地震（“中震”）作用下，门厅柱仍处于弹性（或不屈服）状态需进行抗震性能化设计的具体情况举例•7、对承受较大拉力的楼面梁按“中震”设计。受斜柱的影响楼面梁常承受较大水平力，考虑钢筋混凝土楼板开裂后承载能力的降低，按“零刚度”楼板假定并按“中震”设计。当梁承受的拉力较大时，可考虑采用型钢混凝土梁、或钢梁。•8、对特别重要的结构，当采用双重抗侧力结构时，如钢框架-钢筋混凝土核心筒结构中，对底部加强部位的抗震墙提出截面剪压比限值要求，按大震剪力不超过0.15fcbwhw0。需进行抗震性能化设计的具体情况举例•一、中国抗震设计理论框架•二、为什么进行性能设计及其特点•三、各种性能设计与各水准设计方法•四、抗震规范对钢结构性能设计的要求•五、新钢标性能设计解读•六、软件实现•高规3.11.1条将结构抗震性能目标分为A、B、C、D四个等级，并给出了各性能目标在各地震动（小震、中震、大震）作用下的性能水准要求，分为1、2、3、4、5个等级。每个性能目标均与一组在指定地震地面运动下的结构抗震性能水准相对应。结构性能目标与水准24结构性能目标与水准结构性能目标与水准•关键构件：是指该构件的失效可能引起结构的连续破坏或者危及生命安全的严重破坏构件•底部加强部位的重要竖向构件（底部加强区剪力墙、框架柱）•水平转换构件及其相连竖向支承构件（转换梁、框支柱）•大跨度连体结构的连接体及与其相连的竖向支承构件•大悬挑结构的主要悬挑构件•加强层伸臂和周边环带结构的竖向支承构件•承托上部多个楼层框架柱的腰桁架结构性能目标与水准•长短柱在同一楼层且数量相当时，该层各个长短柱•扭转变形很大部位的竖向（斜向）构件•重要的斜撑构件•普通竖向构件：“关键构件”之外的竖向构件•耗能构件：框架梁、剪力墙连梁及耗能支撑结构性能目标与水准•抗规3.10.3条文说明结构性能目标与水准结构性能目标与水准结构性能目标与水准结构构件实现抗震性能要求的层间位移参考指标示例结构性能目标与水准•结构的性能水准如下：•SP1:结构完好，可继续使用•SP2:结构基本完好，稍加维修可继续使用•SP3:结构轻度损坏，一般维修可继续使用•SP4:结构中度损坏，修复或加固后可继续使用•SP5:结构比较严重损坏，需排险大修结构性能目标与水准•《高规》提出的A、B、C、D四级抗震性能目标结构抗震性能水准（1、2、3、4、5）与抗规提出的结构抗震性能1、2、3、4本质是一致的。•《抗规》属于指导性的纲领，把握抗震性能的总体目标原则，使用不同的承载力、延性指标和细部构造实现性能目标；《高规》使用结构构件不同的性能水准实现性能目标，更为具体，更具有可操作性•《高规》中的性能设计部分对变形目标控制限制没有详细说明，此部分内容需要参照《抗规》的性能目标要求。结构性能目标与水准•确定各地震水准下结构可接受的破坏程度；•设定结构的抗震性能目标；•确定各个地震水准下构件的承载力、变形和细部构造的具体指标。抗震性能化设计路径•1、抗震性能目标应根据抗震设防类别、设防烈度、场地条件、结构类型和不规则性，建筑使用功能和附属设施功能的要求、投资大小、震后损坏和修复难易程度等，经技术及经济可行性综合分析和论证后确定。•2、由于房屋的重要性程度及建筑使用功能不同，结构或结构部位及结构构件的抗震设防目标也不完全相同，应根据具体情况采取相应的抗震措施。如何确定结构抗震性能目标•3、针对工程的需要和可能，可以对整个结构，也可以对某些部位或关键构件，灵活运用各种措施达到预期的抗震性能目标，以提高抗震安全性或满足使用功能的专门要求。•4、鉴于目前强烈地震下结构非线性分析方法的计算模型及参数的选用，尚缺少从强震记录、设计施工资料到实际震害的验证，对结构性能的判断难以十分准确，因此，性能目标选用时宜偏于安全考虑。如何确定结构抗震性能目标•为实现性能目标要求，需要落实各个地震水准（中震或大震）下构件的承载力、变形和细部构造的具体指标。•1、仅提高承载力时，安全性有相应的提高，但使用上变形要求不一定能满足；（高承载力，低延性）•2、仅提高变形能力，则结构在小震、中震下的损坏情况大致没有改变，但抵御大震倒塌的能力提高。（低承载力，高延性）如何确定结构抗震性能目标•3、性能化设计往往侧重于通过提高承载力，推迟结构进入塑性工作阶段并减少塑性变形，必要时还需同时提高刚度以满足使用功能的变形要求，而变形能力的要求可根据结构及其构件在中震、大震下进入弹塑性的程度加以调整。如何确定结构抗震性能目标•4、性能设计寻求的是结构或构件在承载力及变形能力的合理平衡点：•a、当承载能力提高幅度较大时，可适当降低延性要求；•b、而当承载力水平提高幅度较小时，可相应提高结构或构件的延性（也即当延性指标的实现有困难时，可通过提高结构或构件的承载力加以弥补；而当提高结构或构件的承载力有困难时，可通过提高结构或构件的延性加以弥补）。如何确定结构抗震性能目标•5、对各项性能目标，结构的楼盖体系必须有足够安全的承载力，以保证结构的整体性，一般应使楼板在地震中基本处于弹性状态，否则，应采取适当的加强措施。•6、为避免发生脆性破坏，设计中应控制混凝土结构构件的受剪截面面积，满足规范对剪压比的限值要求。•7、性能目标中的抗震构造“基本要求”相当于混凝土结构中四级抗震等级的构造要求，低、中、高和特种延性要求，大致相当于混凝土结构中三、二、一和特一级抗震等级的构造要求。如何确定结构抗震性能目标抗震性能目标、承载力与延性之间的关系•根据性能目标所预期的结构弹塑性状态，可选择：•等效线性方法：构件总体上处于开裂阶段或刚刚进入屈服，可取等效刚度或等效阻尼按等效线性方法估算。•静力非线性分析方法构件总体上处于承载力屈服至极限阶段•动力非线性分析方法构件总体上处于承载力屈服至极限阶段或承载力下降阶段性能设计的实现方法•高规（3.11.3）条规定了5个性能水准的设计方法，性能水准1和2可采用等效线性化方法实现：•性能水准1：整个结构应满足基于多遇地震的标准规范设计；整个结构应满足中震弹性；整个结构应满足大震下基本弹性或大震不屈服；•罕遇地震作用下能基本完好，最多只产生一些不明显的非弹性变形（上图中OAA′至OBB′之间），经检修后可继续使用。各性能水准的设计方法•工程情况举例：•某些特别重要的建筑，需要结