高层建筑结构设计(第二讲).ppt

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1、第二讲 抗风、抗震设计方法简介,唐兴荣工学博士 教 授苏州科技学院土木工程学院二一 二年一月,第一节 抗风设计方法,一、抗风设计原则 风作用出现的概率大，大风作用的时间较长 人们要求在50年或100年重现期的风作用下结构仍然能正常使用，也就是要求结构处于弹性和小位移状态 抗风设计主要基于承载力设计，对高度较高的高层建筑，还要保证210年重现期的风荷载作用下人处于舒适状态（风作用下的加速度）“舒适度”的概念目前国内研究还很少 加拿大的达文波特教授（Pro.Davenport）第一次提出舒适度与房屋顶层加速度关系 控制房屋顶层加速度的方法，满足舒适度要求,主体结构计算时，垂直于建筑物表面的风荷载标

2、准值：,二、风荷载计算,几点说明 考虑到房屋高度大于60m的高层建筑对风荷载比较敏感，承载力设计时风荷载计算可按基本风压的1.1倍采用。对于房屋高度不超过60m的一般高层建筑，其基本风压是否提高，可由设计人员根据实际情况确定。相对02规程，本次修订：（1）取消了“特别重要”的高层建筑的风荷载增大要求，主要因为对重要的建筑结构，其重要性已在结构重要性系数体现在结构作用效应的设计值中；（2）对正常使用极限状态设计，其要求可比承载力设计适当降低，一般仍可采用基本风压值或由设计人员根据实际情况确定，不再作为强制性要求；（3）对风荷载比较敏感的高层建筑结构，风荷载计算时不再强调按100年重现期的风压值采

3、用，而是直接按基本风压增大10%采用。,2、风压高度变化系数 在大气边界层内，风速随地面高度而增大。当气压场随高度不变时，风速随高度增大的规律主要取决于地面粗糙度和温度垂直梯度。通常认为在离地面高度为300m500m时，风速不再受地面粗糙度的影响，也即达到所谓“梯度速度”，该高度称之为梯度风高度。对于平坦或稍有起伏的地形，风压高度变化系数应根据地面粗糙度类别决定。建筑结构荷载规范（GB50009-2011）将地面粗糙度分为A、B、C、和D四类（见表）。,3、风载体型系数,建筑结构荷载规范（GB50009-2011）表列出38项不同类型的建筑物和各类结构的体型系数，当建筑物与表中列出的体型类同时

4、可参考应用。房屋和构筑物与表中的体型类同时，可按表规定取用；房屋和构筑物与表中的体型类不同时，可参考有关资料采用；房屋和构筑物与表中的体型类不同且无参考资料可借鉴时，宜由风洞试验确定；对重要且体型复杂的房屋和构筑物，应由风洞试验确定。,高层建筑混凝土结构技术规程（JGJ3-2010）对建筑结构荷载规范（GB50009-2011）表的简化和整理，给出了12种体型的风载体型系数（附录B）。,1、矩形截面,2、L形截面,3、槽形截面,4、正多边形平面、圆形平面,11、六角形平面,12、Y形平面,规程（JGJ3-2010）第款，给出了按规范（GB50009-2011）表的适当简化和整理后风载体型系数m

5、s：圆形截面建筑取ms=0.8;正多边形及截角三角形平面建筑，由下列公式计算：,高宽比H/B不大于4的矩形、方形、十字形平面建筑取ms=1.3；,下列建筑取ms=1.4 V形、Y形、弧形、双十字形、井字形平面建筑；L形、槽形和高宽比H/B大于4的十字形平面建筑；高宽比H/B大于4，长宽比L/B不大于1.5的矩形、鼓形平面建筑,在需要更细致进行风荷载计算的场合，风荷载体形系数可按规程（JGJ3-2010）附录B采用，或由风洞试验确定,房屋高度大于200mm或（取消：房屋高度大于150m，）有下列情况之一时，宜进行风动试验判断确定建筑物的风荷载：平面形状或立面形状复杂；立面开洞或连体建筑；周围地形

6、和环境较复杂。对风动试验的结果，当与按规范计算的风荷载存在较大差距时，设计人员应进行分析判断，合理确定建筑物的风荷载取值。,风洞试验 在风洞中建筑物能实现大气边界层范围内风的平均风剖面、紊流和自然流动，即要求能模拟风速随高度的变化 大气紊流纵向分量 建筑物长度尺寸具有相同的相似常数 建筑物的风洞尺寸：宽2 4m、高2 3m，长5 30m 模拟风剖面 要求模型与原形的环境风速梯度、紊流强度和紊流频谱在几何上和运动上都相似 风洞试验：委托风工程专家和专门的实验人员 费用较高（国外应用较普遍、国内应用较少）风洞试验模型分类：刚性压力模型 主要量测建筑物表面的风压力（吸力）建筑模型材料：采用有机玻璃

7、建筑模型比例：约1:3001:500 建筑模型本身、周围结构模型以及地形都应与实物几何相似，与风流动有明显关系的特征（建筑外形、突出部分等）都应正确模拟。风洞试验得到结构的平均压力、波动压力、体型系数。风洞试验一次需持续60s左右，相应实际时间1h。,气动弹性模型 对高宽比大于5、需要考虑舒适度的高柔建筑时采用 精确地考虑结构的柔性和自振频率、阻尼的影响。要求模拟几何尺寸、建筑物的惯性矩、刚度和阻尼特性。刚性高频力平衡模型 模型尺寸较小，1:500量级 将一个轻质材料的模型固定在高频反应的力平衡系统上，可得到风产生的动力效应。模拟结构刚度或高频力平衡系统 模拟结构刚度的基座杆长约150mm的矩

8、形钢棒与一组很薄的钢棒组合，可测倾覆力矩和扭矩等,力平衡仪实验示意图,5、总体风荷载与局部风荷载 总体风荷载是建筑物各表面承受风力作用的合力，是沿高度变化的分布荷载，用于计算抗侧力结构的侧移及各构件内力。局部风荷载用于计算结构构件或维护构件或围护构件与主体的连接（水平悬挑构件、幕墙构件及其连接件等），采用风荷载标准值Wk计算，但采用局部风荷载体型系数。,局部风荷载用于计算结构构件或维护构件或围护构件与主体的连接（水平悬挑构件、幕墙构件及其连接件等），采用风荷载标准值Wk计算，但采用局部风荷载体型系数。当建筑群，尤其是高层建筑群，房屋相互间距较近时，由于旋涡的相互干扰，房屋某些部位的局部风压会显

9、著增大，设计时应予以考虑。规范GB50009规定：将单独建筑物的体型系数s 乘以相互干扰系数(可参考类似条件的试验资料确定；必要时宜通过风洞试验得出)以考虑风力相互干扰的群体效应。风力作用在高层建筑表面，其压力分布很不均匀，在角隅、檐口、边棱处和在附属结构的部位（阳台、雨篷等外挑构件），局部风压会超过按表所得的平均风压规范GB50009规定：檐口、雨篷、遮阳板、阳台灯水平构件，计算局部上浮风荷载时，风荷载体型系数不宜小于2.0.对封闭式建筑物，考虑到建筑物内实际存在的个别孔口和缝隙，以及机械通风等因素，室内可能存在正负不同的气压。规范GB50009规定：对封闭式建筑物的内表面压力系数，按外表面

10、风压的正负情况取-0.2或0.2,三、高层建筑结构的舒适度验算,对照国外的研究成果和有关标准，与我国现行行业标准高层民用建筑钢结构技术规程（JGJ99-98）相协调，要求高层建筑混凝土结构应具有更好的使用条件，满足舒适度的要求。,第二节 抗震设计方法,一、结构地震作用计算方法的三个阶段 静力法 1900年日本学者大森房吉提出震度法概念，将地震作用简化为静力 反应谱理论 20世纪30年代美国开展了强震记录的研究(El-Centro),美国M.Biot提出用地震记录计算反应谱的概念，50年代初，实现了反应谱的计算，并应用于抗震设计。时程分析方法 20世纪50年代末期,实现了地震反应的动力计算分析，

11、并成功应用于抗震设计。20世纪70年代，地震反应动力分析得到发展，从弹性时程分析方法发展到弹塑性时程分析方法。,基于承载力的抗震设计方法 静力法和最初的反应谱理论 基于承载力和延性的抗震设计概念 以反应谱理论为基础，以三水准设防为目标，以构件极限承载力设计保证结构承载力，以构造措施保证结构延性的完整的抗震设计方法。承载力与延性的关系 承载力高的结构，延性要求可以较低，而承载力较低时，则必须设计具有较高延性的结构。反之，延性不好的结构承载力必须提高，延性好的结构承载力可以降低。,基于性能的抗震设计方法 人们研究的热点 要求在不同水准的地震作用下，直接以结构的性能和表现作为设计目标。可根据业主的要

12、求达到不同的性能目标（正常使用、生命安全、设备安全、防止倒塌等）现行的“小震不坏、中震可修、大震不倒”的三水准目标已经具备了基于抗震设计的思想。而基于性能/位移的抗震设计方法需要定量。地震反应的时程分析方法（Time History Analysis）和静力弹塑性计算方法推覆方法(Push-Over Analysis)可获得结构性能和表现定量的两种主要计算方法。,规程（JGJ3-2010）：79度抗震设防的高层建筑，下列情况应采用弹性时程分析法进行多遇地震下的补充计算 甲类高层建筑结构；8度I、II类场地和7度，建筑高度100m 8度III、IV类场地，建筑高度80m 乙、丙类高层建筑结构 9

13、度，建筑高度60m 竖向不规则的高层建筑结构,复杂高层建筑结构（带转换层的结构、带加强层的结构、错层结构、连体结构、多塔结构等）质量沿高度分布特别不均匀的高层建筑结构,二、地震反应谱 地震反应谱 单自由体系的地震最大绝对加速度反应与其自振周期T的关系,地震反应谱的意义 一个确定的地面运动，通过一组阻尼比相同但自振周期各不相同的单自由度体系，所引起的各体系最大加速度反应与相应体系自振周期间的关系曲线,设计反应谱,A点的结构特点：自振周期T=0，即频率无限大，说明该结构为刚体，所以其运动和地面的相同，其最大加速度即地面运动的加速度，该点的地震影响系数为0.45。,A-B段结构在地震作用下的特点：A

14、-B段结构当进入弹塑性阶段，其刚度降低，自振周期加长，地震作用加大，对抗震很不利，结构物的自振周期不宜设计在该区域。,结构自振周期应尽可能位移C-D段（大于Tg，并小于5Tg），当结构进入弹塑性阶段，其刚度降低，自振周期加长，地震作用减小，对抗震有利。,GB50011-2010地震影响系数曲线的计算表达式不变，只对其参数进行调整，具体：阻尼比为5%的地震系数维持不变（即，与2001规范相同）基本解决了2001规范在长周期段，不同阻尼比地震影响系数交叉、大阻尼曲线值高于小阻尼曲线值的不合理现象。I、II、III类场地的地震影响系数曲线在周期接近6s时，基本交汇于一点上，符合理论和统计规律。降低了

15、小阻尼（2%3.5%）的地震影响系数值，最大降低幅度达18%。略微提高了阻尼比6%10%地震影响系数，长周期部分最大增幅约5%。适当降低了大阻尼（20%30%）的地震影响系数值，在5Tg周期以内，基本不变，长周期部分最大降幅约10%，有利于消能减震技术的推广应用。,思考题：试按GB50011-2001规范和GB50011-2010规范分别作出Tg=0.35时不同阻尼比0.02、0.035、0.05、0.10、0.20、0.30的地震影响系数曲线，作比较分析。,反应谱方法是我国结构抗震设计采用的基本方法 优点：考虑了地震的强烈程度烈度、地面运动的特征、结构自身的动力特征周期与阻尼等。通过反应谱值

16、将结构的动力反应转化为作用于结构上的静力。缺点：只考虑地面运动中的加速度分量，未考虑地面运动中的速度和位移（实际上地面运动中的速度分量对结构反应影响很大，在相同加速度峰值下，速度愈大，结构反应愈强烈，结构容易受到破坏）设计反应谱只取加速度反应中的最大值，是惯性力的最大值，但不一定是结构的最危险状态。反应谱通过单自由度体系计算得到的，应用于多自由度结构，只能采用振型分解法。振型组合采用SRSS方法或CQC方法得到结构的内力和位移。经过振型组合的内力不再符合平衡条件。结构的动力特性对地震作用的大小影响极大，由于对结构计算简图对结构的简化，结构自振特性（周期、振型等）的确定也是粗糙的 目前应用的设计

17、反应谱是单自由度弹性结构的反应谱，只能进行弹性计算，未考虑持时的影响，未考虑结构可能出现塑性和塑性变形的累计过程。,对高层建筑结构，反应谱计算得到的地震作用只能是经验的，有很多不确定因素，并不能代表真正的地震作用，特别是等效地震荷载计算得到的内力和位移，不是真正地震时结构的内力和位移。实践表明：在正确进行概念设计的基础上，按规范规定的方法进行计算和构件设计，可以保证大多数结构在地震作用下的安全。更需要有效的概念设计和保证延性的构造措施，对高度较大和较为复杂的高层建筑还需要进行第二阶段的变形验算。经过全面的抗震设计的各个步骤和采取各种措施，结构的安全性才能得到保证。,美国加州结构工程师协会（SE

18、AOC）1995年提出。受到美国、日本、欧洲、新西兰、中国等国普遍重视。十多年来，各国进行了大量的科研和实践工作。已经被多国以规范的形式确认。是我国抗震研究和实践的重要方向。,第三节 基于性能抗震设计方法,基于性能设计 Performance-Based Design 现状,基于性能设计就是使设计出的结构在未来的灾害（如地震）作用下维持所要求的性能水平。基于性能设计一般是指基于性能的抗震设计。,何为基于性能设计（Performance-Based Design）,强调建筑结构性能目标的“个性化”。业主、设计师有更大的自主权。克服现有规范的局限性。有利于新材料、新方法的推广应用。不仅强调保证生命

19、安全，同时强调避免财产损失。,基于性能抗震设计的主要优点,性能目标的确定和应用。基于性能抗震设计的理论框架和实现方法。基于性能抗震设计的具体实践和发展趋势。,理解基于性能抗震设计的三个主要方面,抗震性能目标（美国FEMA273）,抗震性能目标,美国ATC40,日本建筑研究院报告,说明：Ea到Ee地震烈度减小 Ed、Ee相当于中等烈度，Ec相当于高烈度地震 性能目标AAA为最高性能目标，性能目标CCC为最低性能目标,抗震性能目标,日本新的建筑基本法,抗震性能目标,我国规范的性能目标,抗震性能目标,性能目标A：多遇地震（小震）和设防烈度地震（中震）均满足性能水准1的要求，预估的罕遇地震（大震）下满

20、足性能水准2的要求；整体结构基本完好，部分构件轻微损坏。性能目标B：多遇地震（小震）下满足性能水准1的要求，设防烈度地震（中震）下满足性能水准2的要求，预估的罕遇地震(大震)下满足性能水准3的要求；部分结构构件轻度损坏。性能目标C：多遇地震（小震）下满足性能水准1的要求，设防烈度地震（中震）下满足性能水准3的要求，预估的罕遇地震（大震）下满足性能水准4的要求；结构中度损坏。性能目标D：多遇地震（小震）下满足性能水准1的要求，设防烈度地震（中震）下满足性能水准4的要求，预估的罕遇地震（大震）下满足性能水准5的要求；结构比较严重损坏。,关键构件指构件的失效可能引起结构的连续破坏或危及生命安全的严重

21、破坏，可由结构工程师根据工程实际情况分析确定。例如底部加强部位的重要竖向构件、水平转换构件及与其相连竖向支承构件、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、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、重要的斜撑构件等。普通竖向构件指“关键构件”之外的竖向构件。耗能构件包括框架梁、剪力墙、连梁及耗能支撑等。,各性能水准结构预期的震后性能状况,高层建筑混凝土结构技术规程（JGJ3-2010）给出了五个抗震性能水准具体内容如下：第1性能水准：结构在地震作用下完好

22、、无损伤，一般不需修理即可继续使用。第2性能水准：结构在地震作用下基本完好，仅耗能构件轻微损坏，稍加修理即可继续使用。第3性能水准：结构在地震作用下发生轻度损坏，关键构件轻微损坏，部分普通竖向构件轻微损坏，耗能构件轻度损坏，部分中度损坏；经过一般修理后可继续使用。第4性能水准：结构在地震作用下发生中度损坏，关键构件轻度损坏，部分普通竖向构件中度损坏，耗能构件中度损坏，部分比较严重损坏；经过修复或加固后可继续使用。第5性能水准：结构在地震作用下比较严重损坏，关键构件中度损坏，部分普通竖向构件比较严重损坏，耗能构件严重损坏；需排险大修。,抗震性能目标和性能水准示意图,性能水准的判别准则,第1 性能

23、水准的结构,第2性能水准的结构,性能水准的判别准则,第3性能水准的结构,性能水准的判别准则,第4性能水准的结构,性能水准的判别准则,第5性能水准的结构,第5性能水准的结构应进行弹塑性计算分析。在预估的罕遇地震作用下，关键构件的抗震承载力宜符合式（17-2）的规定；较多的竖向构件进入屈服阶段，但同一楼层的竖向构件不宜全部屈服；竖向构件的受剪截面应符合式（17-4）或式（17-5）的规定；允许部分耗能构件发生比较严重的破坏；结构薄弱部位的层间位移角应符合高层建筑混凝土结构技术规程（JGJ3-2010）第条的规定。第5性能水准结构的设计要求与第4性能水准结构的差别是，关键构件承载力宜满足“屈服承载力

24、设计”的要求，允许比较多的竖向构件进入屈服阶段，并允许部分“梁”等耗能构件发生比较严重的破坏。结构的抗震性能必须通过弹塑性计算加以深入分析，尤其应注意同一楼层的竖向构件不宜全部进入屈服并宜控制整体结构承载力下降的幅度不超过10%。,性能水准的判别准则,抗震性能目标的确定和使用,具体的抗震性能目标以规范的形式体现。业主有充分选择抗震性能目标的自由。设计者在实现抗震性能目标过程中可以充分发挥创造力。,基于性能抗震设计步骤,根据业主要求确定性能目标,不满足性能目标,根据性能目标进行结构设计,对结构设计进行性能评估,满足性能目标,完成设计明确性能目标,性能抗震设计基本步骤框图,结构抗震性能设计的主要工

25、作包括：1结构方案分析论证 分析结构方案在房屋高度、规则性、结构类型、场地条件或抗震设防标准等方面的特殊要求，确定结构设计是否需要采用抗震性能设计方法，并作为选用抗震性能目标的主要依据。多数情况下，需要采用抗震性能设计的工程，一般表现为不能完全符合抗震概念设计的要求。因此，结构方案特殊性的分析中要注重分析结构方案不符合抗震概念设计的情况和程度。结构工程师应根据规程有关抗震概念设计的规定，与建筑师协调，改进结构方案，尽量减少结构不符合概念设计的情况和程度，不应采用严重不规则的结构方案。对于特别不规则结构，可进行抗震性能设计，但须慎重选用抗震性能目标，并通过深入分析论证。建筑师、结构工程师、设备工

26、程师和经济师对初步选定的方案进行论证和评价，设计方案论证中，强调对各项具体性能要求采取的措施，包括结构体系、采用新材料、新设备和新技术的依据以及必要的试验，非结构幕墙、各项设备、隔墙等抗震措施，详细的计算分析（弹性及非线性分析），细部构造，经济分析等。如经论证、评价对初步选定的方案不满意，则进行二次设计或由业主修改性能目标。论证完成后送专家评审，如评审不通过或需要修改，则进行修改设计。,2选用抗震性能目标 结构抗震性能目标应综合考虑抗震设防类别、设防烈度、场地条件、结构的特殊性、建造费用、震后损失和修复难易程度等各项因素选定。抗震性能目标是指在设定的地震地面运动水准下建筑物的预期性能水准。我国

27、建筑抗震设计规范（GB50011-2010）地震地面运动一般设定三个水准：设计基准期50年内超越概率为63%的地震烈度取为第一水准烈度，即小震；设计基准期50年内超越概率为10%的地震烈度取为第二水准烈度，即中震；设计基准期50年内超越概率为2%3%的地震烈度取为第三水准烈度，即大震。高层建筑混凝土结构技术规程（JGJ3-2010）将结构的抗震性能目标分为A、B、C、D四个等级（表17-1），结构抗震性能分为1、2、3、4、5五个水准（表17-2），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。根据行政管理部门或有关的文件、标准制订建筑抗震性能目标和性能水准。抗震性能目标经

28、业主初步选定后，建筑师开始进行建筑方案设计。,3结构抗震性能分析论证 结构抗震性能分析论证的重点是深入的计算分析和工程判断，找出结构有可能出现的薄弱部位，提出有针对性的抗震加强措施，必须的试验验证，分析论证结构可达到预期的抗震性能目标。一般需要进行以下工作：分析确定结构超出规程适用范围及不规则性的情况和程度。认定场地条件、抗震设防类别和地震动参数。深入的弹性和弹塑性计算分析（静力分析和时程分析），并判断计算结果的合理性。找出结构有可能出现的薄弱部位以及需要加强的关键部位，提出针对性的抗震加强措施。必要时还需进行构件、节点或整体模型的抗震试验，补充提出论证依据，例如对规程未列入的新型结构方案又无

29、震害和试验依据或对计算分析难以判断、抗震概念难以接受的复杂结构方案。,基于性能的抗震设计方法与以往方法的联系,基于性能抗震设计在保障结构最低目标性能（“共性”）时，考虑的是社会总费用；确定特殊目标性能（“个性”）时，考虑的是业主费用。我国还没有以规范的形式确定基于性能的设计方法，但已被公认为重要的发展趋势 现行规范的“小震不坏，中震可修、大震不倒”也是一种性能目标 目前在我国，基于性能抗震设计主要被应用于复杂、超限结构,第四节 弹塑性地震反应分析,一、时程分析法 在结构基础部位作用一个地面运动加速度时程，用动力方法直接计算出结构随时间而变化的地震反应。1、动力计算方法 多自由度体系的动力方程,

30、2、计算模型 杆模型 以杆件为计算的基本单元，刚度矩阵的建立、计算简图（平面、空间）、质量集中到楼板高度。确定每个杆件最大内力和最大变形，以及杆件和楼层的位移 适用：弹性时程分析、用于研究 层模型 整个结构视为一根悬臂杆，每个楼层质量集中为一个质点，楼层的刚度凝聚在一根杆中。层模型：剪切型（S型）、弯剪型（SB型）、弯曲型（B型）、局部弯剪型（局部SB型）、等效剪切型（等效S型）等 确定结构层剪力、层位移、层间位移角等 确定结构薄弱层 设计第二阶段的层间位移角验算 适用：弹塑性时程分析、用于设计第二阶段倒塌验算,局部层间SB模型,S模型,3、恢复力模型 滞回曲线反复荷载作用下杆件实测的力 位移

31、曲线,唐兴荣,刘伟庆,钱奕技.空间钢构架混凝土柱抗震性能的试验研究.建筑结构学报，2005,25（5）：11-28,空间钢构架混凝土框架结构,RCKJ-0,SRCKJ-1,SRCKJ-2,唐兴荣，何葆林.空间钢构架混凝土框架结构抗震性能试验研究和设计建议.建筑结构学报，2009，30（3）：45-52（EI文摘号:20092712172087),退化三线性滞回模型,恢复力模型 滞回曲线模型化，给出可用于数值计算的反复循环力-变形的非线性关系（反复荷载作用下杆件刚度、开裂、屈服、荷载反向作用等原因，杆件刚度的变化）,拐点的确定,参见：唐兴荣，姚江峰.带转换层高层建筑结构的弹塑性地震反应分析，南京

32、工业大学学报，2006，28（3）：33-38,4、质量矩阵与阻尼矩阵,5、地震波 应按建筑场地类别和设计地震分组选用不少于二组实际地震记录和一组人工模拟的加速度时程曲线 人工模拟加速度时程曲线其平均地震影响系数曲线与振型分解反应谱法所采用的地震影响系数曲线在统计上相符。弹性时程分析时，每条时程曲线计算所得的结构底部剪力不应小于振型分解反应谱法求得的底部剪力的65%，多条时程曲线计算所得的结构底部剪力的平均值不应小于振型分解反应谱法求得的底部剪力的80%地震波的有效持续时间，一般从首次达到该时程曲线最大值的10%那一点算起，到最后一点达到最大峰值的10%为止。不论是实际强震记录还是人工模拟波形

33、，有效持续时间一般为结构基本自振周期的5-10倍，即结构顶点的位移可按基本周期往复（5-10）次。地震波的时间间距可取0.01s或0.02s,输入地震加速度的最大值,El-Centro波（N-S）时程曲线,Pasadena波（E-W）时程曲线,Shw2002波时程曲线,上海建筑抗震设计规程（DGJ08-9-2003）推荐的适合上海IV类场地的人工拟合的地震波。,二、静力弹塑性分析 推覆分析 Push-Over Analysis 在结构上施加一组静力(竖向荷载和水平荷载)，考虑构件从开裂到屈服，刚度逐步改变的弹塑性计算方法。计算时竖向荷载不变，水平荷载由小到大，逐步加载，每一步会有部分构件屈服，

34、屈服的构件需要改变刚度，重新建立刚度矩阵，在增量荷载作用下再进行分析，得到的结果叠加在前一步计算的结果上，如此逐步计算，直到结构达到其极限承载力或极限位移，结构倒塌。静力弹塑性分析需给出的条件 计算简图及荷载与一般静力分析相同（平面结构或空间结构）；竖向荷载不变，水平荷载尽可能能代表地震作用的荷载分布形式，荷载由小到大变化，分布形式不变。构件参数：几何尺寸、弹性刚度；每个构件力变形的弹塑性骨架线（有明显的屈服点和极限承载力的二线性或三线性骨架线）,静力弹塑性分析的主要功能 结构承受的水平荷载作用时内力和变形的全过程；结构的最大承载能力和极限变形能力，包括层间位移角和顶点位移等重要指标；估价相对

35、于设计荷载而言的结构承载力的安全储备等 第一批塑性铰位置和各个阶段的塑性铰出现次序和分布状态；判断结构是否符合强柱弱梁、强剪弱弯等设计要求 不同受力阶段下楼层侧移和层间位移角沿高度的分布，结合塑性铰的分布情况可以检查是否存在薄弱层 不同受力阶段结构各部分塑性内力重分布情况，结合塑性铰分布，检查设计的多道设防意图是否能实现 结构每一层的层剪力位移角曲线，作为弹塑性层模型时程分析需要的各层等效层刚度 结构总承载力顶点位移全曲线，它综合表示结构在各个受力阶段的能力和性能。,能力曲线静力弹塑性分析得到的结构性能曲线 要求曲线地震反应谱 如果“要求曲线”和“能力曲线”有交点，表示结构可以抵抗该地震，交点

36、称为“结构性能表现点”，交点对应的位移是结构在地震作用下的顶点位移，对该位移处结构的各项性能进行分析，可以得到结构在地震作用下的表现。,性能点计算,加速度反应谱Sa和位移反应谱Sd作为比较坐标,“能力曲线”和“要求曲线”坐标转换方式 用加速度谱Sa 周期T作为比较坐标,静力弹塑性分析法存在一些问题 结构计算时施加的水平荷载形式的不确定性（均匀分布荷载计算的极限承载力最大；顶点集中力计算的极限承载力最小；倒三角形荷载计算的结果介于二者之间）水平荷载形式 基底剪力法得到的层荷载分布形式 或反应谱分析的第一振型的地震力分布形式 或振型组合以后的地震力分布形式 构件的弹塑性性能需要在材料非线性性能的基

37、础上确定，其中三维构件的弹塑性性能和破坏准则、约束混凝土的性能、塑性铰长度、剪切和轴向变形的非线性性能等都尚需进一步研究和量化 构件在达到最大承载力后荷载开始下降，进入“负刚度”阶段，构件的失效一般用最大承载力下降10%15%来判断。是计算程序编制的难点 推覆分析只能给出结构在某种荷载作用下的性能，对结构在某一特定地震作用下的表现并不能直接得到，“要求曲线”与“能力曲线”比较方法是否能反应实际情况？尚需进一步研究确定。推覆分析对地震作用下结构状态的判断和评价不如地震反应时程分析的判断更为直接。,采用能力谱法进行性能设计步骤美国应用技术协会（Applied Technology Council）

38、1996年混凝土结构的抗震性能评估和加固（ATC-40）根据规范进行结构承载力设计，建立结构的计算模型，确定各单元的恢复力曲线。,结构能力曲线图,结构能力谱曲线,（8度、II类场地、第1组、罕遇地震）,规范需求谱,折减的弹性需求谱,等效弹性体单自由度体系,性能点计算,罕遇地震下的结构位移 由结构的性能点，根据式（2）可得相应结构的顶点位移，相应的结构各层变形即反映结构在罕遇地震下各层的位移。计算结构层间位移角，与规范要求对比，判定结构是否满足大震变形要求。由结构构件塑性铰的分布，判断结构薄弱层所在。应用能力谱法进行性能设计时，需要重视：结构计算模型和参数的确定要尽量符合工程实际；沿高度施加的水平力要符合复杂和超限高层建筑的特点，选择倒三角分布、矩形分布、第一振型分布、等效的多振型组合分布或所谓自适应振型分布；结构达到某一目标位移或结构破坏程度的判断，因结构超限设计中采用的性能目标，根据弹性分析时小震、中震和大震的比例关系，逐个分析小震、中震和大震对应弹塑性状态，从结构位移、结构承载力、阻尼比、屈服铰的数量和分布综合判断计算结果的可信度,