专利名称：工程结构多级设防烈度下的性能化抗震设计方法
技术领域：
本发明涉及一种土木工程领域中的工程结构抗震设计方法，尤其涉及一种性能化的抗震设计方法。
背景技术：
基于性能的抗震设计是国际抗震研究的前沿课题，也是世界各国抗震设计规范的发展方向，FEMA P695 (2009)、FEMA440 (2005)、日本《建筑基准法》(2003)、Eurocode8(2004)、美国建筑和设施的性能规范(2009)、中国抗震规范(2010)等各国抗震规范都已开始采用基于性能的抗震设计。主要的分析方法包括:能力谱法(CapacitySpectrum Method, CSM)、目标位移法(Target Displacement)、需求能力系数法(Factored-Demand-to-Capacity Ratio, FDCR)、地震性能系数法(Seismic PerformanceFactors, SPF)等。能力谱法在谱加速度和谱位移坐标系下，通过能力曲线与地震需求谱曲线的交点，获得性能点，确定结构在设防地震水准下的位移和塑性铰分布等，从而评估结构的抗震能力。目标位移法是在设防地震水准下，综合考虑多自由度体系转换为单自由度体系的转换系数、非弹性位移增大系数、滞回性能影响系数、结构的P-Λ效应等多重因素，建立了抗震能力和地震需求之间的关系。需求能力系数法也是基于设防地震水平，引入模型不确定性和地震不确定性系数和分析方法不确定性系数后，分析抗震能力和地震需求之间的关系。量化的地震性能系数法，通过反应修订系数、超强系数和变形放大系数建立了设防地震下(最大应考虑地震烈度)与结构性能的关系，通过量化的地震性能系数法，建立和评估不同结构体系的性能水准，并计算倒塌裕度比。但是这些方法都是基于某一级地震烈度的地震作用下，完成性能抗震设计的。中国的抗震评估技术，如2010年11月10日公开的中国专利，公开号为CN101881089A，公开了一种钢管混凝土建筑物抗震性能评估方法及应用，其提供一种钢管混凝土建筑物的空间纤维梁的有限元模型，然后采用软件对所述有限元模型进行计算，通过获得的建筑物最大层间位移角，对钢管混凝土结构要求的最大层间位移角限值要求评估建筑物的抗震性能，根据建筑物抗震性能的评估结果设计建筑物的抗震措施。但工程结构抗震设计方法是基于某一级设定烈度或地震动参数的条件下进行的。
发明内容
本发明的技术效果能够克服上述缺陷，提供一种工程结构多级设防烈度的性能化抗震设计方法，其一次完成多级烈度的性能化抗震设计。为实现上述目的，本发明采用如下技术方案:(I)采用分析方法获得工程结构的底部剪力和位移的函数关系，或将工程结构的底部剪力和位移的函数关系转化成单自由度体系下的底部剪力等效系数与位移的函数关系;(2)根据规定的设防地震烈度水平，按照工程结构应处的弹塑性状态，对多级设防烈度下的地震作用进行调整，获得调整后的多级设防烈度下的地震作用；(3)在等效的单自由度体系下，工程结构多级设防烈度下的性能化抗震设计步骤如下:1)进行最大层间位移角、顶点位移角、谱位移(等效的单自由度体系位移)的转换，将等效的单自由度体系下的能力曲线绘制在底部剪力等效系数和最大层间位移角、顶点位移角、谱位移为坐标轴的图中；2)将调整后的多级设防烈度下的地震作用曲线，按照弹塑性状态和相应的弹塑性位移，绘制在底部剪力等效系数和最大层间位移角、顶点位移角、谱位移为坐标轴的图中；3)在等效的单自由度体系下，若等效的单自由度体系下的能力曲线与调整后的多级设防烈度下的地震作用曲线有性能交点，且性能交点对应的位移角满足法令、规范、标准和规程规定的某级设防烈度规定的位移角限制，说明本级设防烈度下，位移满足要求；否则，不满足法令、规范、标准和规程的位移要求；(4)在整体结构的体系下，工程结构多级设防烈度下的性能化抗震设计步骤如下:I)进行最大层间位移角、顶点位移角的转换，将整体结构体系下的能力曲线绘制在底部剪力和最大层间位移角、顶点位移角为坐标轴的图中；2)将调整后的多级设防烈度下的地震作用曲线，转化成整体结构体系下的底部剪力，按照弹塑性状态和相应的弹塑性位移，绘制在底部剪力等效系数和最大层间位移角、顶点位移角为坐标轴的图中；3)在整体结构的体系下，若整体结构体系下的能力曲线与调整后的多级设防烈度下的等效底部剪力曲线有性能交点，且性能交点对应的位移角满足法令、规范、标准和规程规定的某级设防烈度规定的位移角限制，说明本级设防烈度下，位移满足要求；否则，不满足法令、规范、标准和规程的位移要求。分析方法采用静力推覆分析法，静力推覆分析法中施加分布的水平荷载，水平荷载单调增加。分析方法也可采用增量动力分析法，增量动力分析法中，逐级提高地震输入水平，至工程结构达到破坏状态。工程结构包括框架结构、或剪力墙结构、或框架-剪力墙结构、或框支剪力墙结构、或筒中筒结构、或框架-核心筒结构。工程结构包括简支板梁桥、或悬臂梁桥、或连续梁桥、或T形刚架桥、或吊桥、或斜拉桥、或悬索桥、或组合体系桥。工程结构包括电视塔、或储油罐、或塔架、或仓库、或水塔、或水池、或烟 、或隧道、或水坝。本发明一次完成多级烈度的性能化抗震设计，评估多级设防烈度下工程结构的抗震性能水平；评估在国家、地方的法令、规范、标准和规程规定的设防地震烈度水平下的性能抗震设计是否满足要求；评估超越设防烈度的抗震性能裕度；因此，从更深层次实现了性能化抗震设计。一次完成多级烈度的性能化抗震设计，也极大地提高了设计的效率。
图1为本发明的工程结构等效单自由度体系下的能力曲线与多级设防烈度地震作用曲线的比较示意图；图2为本发明的工程结构整体结构体系下的能力曲线与多级设防烈度地震作用曲线的比较示意图；其中，图1中:Θ-最大层间位移角；Λ -顶点位移角；S_谱位移；e-弹性位移限值或工作应力状态位移或屈服位移；P-弹塑性位移限值或防止倒塌位移或生命安全位移；y-屈服位移；u-极限位移；1，2，3，4，5，6_位移状态；BSFe(1-底部剪力等效系数(地震影响系数或谱加速度)；
图2中:θ -最大层间位移角；△-顶点位移角；BSF_底部剪力；e_弹性位移限值或工作应力状态位移或屈服位移；p-弹塑性位移限值或防止倒塌位移或生命安全位移；y-屈服位移；u-极限位移；1，2,3,4,5,6-位移状态。
具体实施例方式本发明的方法包括如下步骤:(I)采用分析方法获得工程结构的底部剪力和位移的函数关系，或将工程结构的底部剪力和位移的函数关系转化成单自由度体系下的底部剪力等效系数与位移的函数关系;(2)根据国家、地方的法令、规范、标准和规程规定的设防地震烈度水平，按照工程结构应处的弹塑性状态，对多级设防烈度下的地震作用进行调整，获得调整后的多级设防烈度下的地震作用；(3)在等 效的单自由度体系下，工程结构多级设防烈度下的性能化抗震设计步骤如下:1)进行最大层间位移(角)、顶点位移(角)、谱位移(等效的单自由度体系位移)的转换，将等效的单自由度体系下的能力曲线绘制在底部剪力等效系数和最大层间位移(角)/顶点位移(角)/谱位移为坐标轴的图中；2)将调整后的多级设防烈度下的地震作用曲线，按照弹塑性状态和相应的弹塑性位移，绘制在底部剪力等效系数和最大层间位移(角)/顶点位移(角)/谱位移为坐标轴的图中；3)在等效的单自由度体系下，若等效的单自由度体系下的能力曲线与调整后的多级设防烈度下的地震作用曲线有性能交点，且性能交点对应的位移(角)满足法令、规范、标准和规程规定的某级设防烈度规定的位移(角)限制，说明本级设防烈度下，位移满足要求；否则，不满足法令、规范、标准和规程的位移要求。(4)在整体结构的体系下，工程结构多级设防烈度下的性能化抗震设计步骤如下:
I)进行最大层间位移(角)、顶点位移(角)的转换，将整体结构体系下的能力曲线绘制在底部剪力和最大层间位移(角)/顶点位移(角)为坐标轴的图中；2)将调整后的多级设防烈度下的地震作用曲线，转化成整体结构体系下的底部剪力，按照弹塑性状态和相应的弹塑性位移，绘制在底部剪力等效系数和最大层间位移(角)/顶点位移(角)为坐标轴的图中；3)在整体结构的体系下，若整体结构体系下的能力曲线与调整后的多级设防烈度下的等效底部剪力曲线有性能交点，且性能交点对应的位移(角)满足法令、规范、标准和规程规定的某级设防烈度规定的位移(角)限制，说明本级设防烈度下，位移满足要求；否则，不满足法令、规范、标准和规程的位移要求。1、采用分析方法获得工程结构的底部剪力和位移的函数关系，或将工程结构的底部剪力和位移的函数关系转化成单自由度体系下的底部剪力等效系数与位移的函数关系，具体步骤如下:(I)采用PUSHOVER静力推覆法或IDA增量动力分析法，建立底部剪力和顶点位移角、层间最大位移角的关系，函数关系可表达为V = f(Aroof_d)(I)V = f(Adrifr_d) (2)式中，V为为结构底部剪力，为顶点位移，Adrift_d为最大层间位移。
(2)根据结构模态分析得到结构的弹性模态，考虑多振型的影响，确定工程结构多自由度体系的广义等效振型参与系数Γ eq和广义等效质量计算等振型参与系数
权利要求
1.一种工程结构多级设防烈度下的性能化抗震设计方法，其特征在于，包括如下步骤: (1)采用分析方法获得工程结构的底部剪力和位移的函数关系，或将工程结构的底部剪力和位移的函数关系转化成单自由度体系下的底部剪力等效系数与位移的函数关系； (2)根据规定的设防地震烈度水平，按照工程结构应处的弹塑性状态，对多级设防烈度下的地震作用进行调整，获得调整后的多级设防烈度下的地震作用； (3)在等效的单自由度体系下，工程结构多级设防烈度下的性能化抗震设计步骤如下:I)进行最大层间位移角、顶点位移角、谱位移的转换，将等效的单自由度体系下的能力曲线绘制在底部剪力等效系数和最大层间位移角、顶点位移角、谱位移为坐标轴的图中；2)将调整后的多级设防烈度下的地震作用曲线，按照弹塑性状态和相应的弹塑性位移，绘制在底部剪力等效系数和最大层间位移角、顶点位移角、谱位移为坐标轴的图中；3)在等效的单自由度体系下，若等效的单自由度体系下的能力曲线与调整后的多级设防烈度下的地震作用曲线有性能交点，且性能交点对应的位移角满足规定的某级设防烈度规定的位移角限制，说明本级设防烈度下，位移满足要求；否则，不满足位移要求； (4)在整体结构的体系下，工程结构多级设防烈度下的性能化抗震设计步骤如下:1)进行最大层间位移角、顶点位移角的转换，将整体结构体系下的能力曲线绘制在底部剪力和最大层间位移角、顶点位移角为坐标轴的图中；2)将调整后的多级设防烈度下的地震作用曲线，转化成整体结构体系下的底部剪力，按照弹塑性状态和相应的弹塑性位移，绘制在底部剪力等效系数和最大层间位移角、顶点位移角为坐标轴的图中；3)在整体结构的体系下，若整体结构体系下的能力曲线与调整后的多级设防烈度下的等效底部剪力曲线有性能交点，且性能交点对应的位移角满足规定的某级设防烈度规定的位移角限制，说明本级设防烈度下，位移满足要求；否则，不满足位移要求。
2.根据权利要求1所述的工程结构多级设防烈度下的性能化抗震设计方法，其特征在于，步骤(I)中的分析方法采用静力推覆分析法。
3.根据权利要求2所述的工程结构多级设防烈度下的性能化抗震设计方法，其特征在于，静力推覆分析法中施加分布的水平荷载，水平荷载单调增加。
4.根据权利要求1所述的工程结构多级设防烈度下的性能化抗震设计方法，其特征在于，步骤(I)中的分析方法采用增量动力分析法。
5.根据权利要求4所述的工程结构多级设防烈度下的性能化抗震设计方法，其特征在于，增量动力分析法中，逐级提高地震输入水平使结构构件逐步屈服。
6.根据权利要求3或5所述的工程结构多级设防烈度下的性能化抗震设计方法，其特征在于，工程结构包括框架结构、或剪力墙结构、或框架-剪力墙结构、或框支剪力墙结构、或筒中筒结构、或框架-核心筒结构。
7.根据权利要求3或5所述的工程结构多级设防烈度下的性能化抗震设计方法，其特征在于，工程结构包括简支板梁桥、或悬臂梁桥、或连续梁桥、或T形刚架桥、或吊桥、或斜拉桥、或悬索桥、或组合体系桥。
8.根据权利要求3或5所述的工程结构多级设防烈度下的性能化抗震设计方法，其特征在于，工程结构包括电视塔、或储油罐、或塔架、或仓库、或水塔、或水池、或烟囱、或隧道、或水坝。
全文摘要
本发明涉及一种工程结构抗震设计方法。本发明的工程结构多级设防烈度下的性能化抗震设计方法，包括如下步骤(1)采用分析方法获得工程结构的底部剪力和位移的函数关系，或将工程结构的底部剪力和位移的函数关系转化成单自由度体系下的底部剪力等效系数与位移的函数关系；(2)根据设防地震烈度水平，按照工程结构应处的弹塑性状态，对多级设防烈度下的地震作用进行调整，获得调整后的多级设防烈度下的地震作用；(3)在等效的单自由度体系下，工程结构多级设防烈度下的性能化抗震设计；(4)在整体结构的体系下，工程结构多级设防烈度下的性能化抗震设计。本发明一次完成多级烈度的性能化抗震设计。
文档编号E04B1/98GK103161234SQ20111041918
公开日2013年6月19日 申请日期2011年12月15日 优先权日2011年12月15日
发明者刘文锋 申请人:青岛理工大学