第二講抗風(fēng)、抗震設(shè)計方法簡介

唐興榮工學(xué)博士教授蘇州科技學(xué)院土木工程學(xué)院二○一二年一月第一節(jié)抗風(fēng)設(shè)計方法一、抗風(fēng)設(shè)計原那么風(fēng)作用出現(xiàn)的概率大，大風(fēng)作用的時間較長人們要求在50年或100年重現(xiàn)期的風(fēng)作用下結(jié)構(gòu)仍然能正常使用，也就是要求結(jié)構(gòu)處于彈性和小位移狀態(tài)抗風(fēng)設(shè)計主要基于承載力設(shè)計，對高度較高的高層建筑，還要保證210年重現(xiàn)期的風(fēng)荷載作用下人處于舒適狀態(tài)〔風(fēng)作用下的加速度〕“舒適度”的概念目前國內(nèi)研究還很少加拿大的達(dá)文波特教授〔Pro.Davenport〕第一次提出舒適度與房屋頂層加速度關(guān)系控制房屋頂層加速度的方法，滿足舒適度要求主體結(jié)構(gòu)計算時，垂直于建筑物外表的風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值：二、風(fēng)荷載計算幾點說明考慮到房屋高度大于60m的高層建筑對風(fēng)荷載比較敏感，承載力設(shè)計時風(fēng)荷載計算可按根本風(fēng)壓的1.1倍采用。對于房屋高度不超過60m的一般高層建筑，其根本風(fēng)壓是否提高，可由設(shè)計人員根據(jù)實際情況確定。相對02規(guī)程，本次修訂：〔1〕取消了“特別重要”的高層建筑的風(fēng)荷載增大要求，主要因為對重要的建筑結(jié)構(gòu)，其重要性已在結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)表達(dá)在結(jié)構(gòu)作用效應(yīng)的設(shè)計值中；〔2〕對正常使用極限狀態(tài)設(shè)計，其要求可比承載力設(shè)計適當(dāng)降低，一般仍可采用根本風(fēng)壓值或由設(shè)計人員根據(jù)實際情況確定，不再作為強制性要求；〔3〕對風(fēng)荷載比較敏感的高層建筑結(jié)構(gòu)，風(fēng)荷載計算時不再強調(diào)按100年重現(xiàn)期的風(fēng)壓值采用，而是直接按根本風(fēng)壓增大10%采用。2、風(fēng)壓高度變化系數(shù)在大氣邊界層內(nèi)，風(fēng)速隨地面高度而增大。當(dāng)氣壓場隨高度不變時，風(fēng)速隨高度增大的規(guī)律主要取決于地面粗糙度和溫度垂直梯度。通常認(rèn)為在離地面高度為300m～500m時，風(fēng)速不再受地面粗糙度的影響，也即到達(dá)所謂“梯度速度”，該高度稱之為梯度風(fēng)高度。對于平坦或稍有起伏的地形，風(fēng)壓高度變化系數(shù)應(yīng)根據(jù)地面粗糙度類別決定。《建筑結(jié)構(gòu)荷載標(biāo)準(zhǔn)》〔GB50009-2011〕將地面粗糙度分為A、B、C、和D四類〔見表〕。3、風(fēng)載體型系數(shù)

《建筑結(jié)構(gòu)荷載標(biāo)準(zhǔn)》〔GB50009-2011〕表列出38項不同類型的建筑物和各類結(jié)構(gòu)的體型系數(shù)，當(dāng)建筑物與表中列出的體型類同時可參考應(yīng)用。房屋和構(gòu)筑物與表中的體型類同時，可按表規(guī)定取用；房屋和構(gòu)筑物與表中的體型類不同時，可參考有關(guān)資料采用；房屋和構(gòu)筑物與表中的體型類不同且無參考資料可借鑒時，宜由風(fēng)洞試驗確定；對重要且體型復(fù)雜的房屋和構(gòu)筑物，應(yīng)由風(fēng)洞試驗確定。《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》〔JGJ3-2010〕對《建筑結(jié)構(gòu)荷載標(biāo)準(zhǔn)》〔GB50009-2011〕表的簡化和整理，給出了12種體型的風(fēng)載體型系數(shù)〔附錄B〕。1、矩形截面2、L形截面3、槽形截面

4、正多邊形平面、圓形平面5、扇形平面

6、棱形平面

7、十字形平面

8、井字形平面

9、X形平面

10、艸形平面

11、六角形平面

12、Y形平面

《規(guī)程》〔JGJ3-2010〕第款，給出了按《標(biāo)準(zhǔn)》〔GB50009-2011〕表的適當(dāng)簡化和整理后風(fēng)載體型系數(shù)ms：圓形截面建筑取ms=0.8;正多邊形及截角三角形平面建筑，由以下公式計算：

高寬比H/B不大于4的矩形、方形、十字形平面建筑取ms=1.3；以下建筑取ms=1.4V形、Y形、弧形、雙十字形、井字形平面建筑；L形、槽形和高寬比H/B大于4的十字形平面建筑；高寬比H/B大于4，長寬比L/B不大于1.5的矩形、鼓形平面建筑在需要更細(xì)致進行風(fēng)荷載計算的場合，風(fēng)荷載體形系數(shù)可按《規(guī)程》〔JGJ3-2010〕附錄B采用，或由風(fēng)洞試驗確定房屋高度大于200mm或〔取消：房屋高度大于150m，〕有以下情況之一時，宜進行風(fēng)動試驗判斷確定建筑物的風(fēng)荷載：平面形狀或立面形狀復(fù)雜；立面開洞或連體建筑；周圍地形和環(huán)境較復(fù)雜。對風(fēng)動試驗的結(jié)果，當(dāng)與按標(biāo)準(zhǔn)計算的風(fēng)荷載存在較大差距時，設(shè)計人員應(yīng)進行分析判斷，合理確定建筑物的風(fēng)荷載取值。風(fēng)洞試驗在風(fēng)洞中建筑物能實現(xiàn)大氣邊界層范圍內(nèi)風(fēng)的平均風(fēng)剖面、紊流和自然流動，即要求能模擬風(fēng)速隨高度的變化大氣紊流縱向分量建筑物長度尺寸具有相同的相似常數(shù)建筑物的風(fēng)洞尺寸：寬24m、高23m，長530m模擬風(fēng)剖面要求模型與原形的環(huán)境風(fēng)速梯度、紊流強度和紊流頻譜在幾何上和運動上都相似風(fēng)洞試驗：委托風(fēng)工程專家和專門的實驗人員費用較高〔國外應(yīng)用較普遍、國內(nèi)應(yīng)用較少〕風(fēng)洞試驗?zāi)Ｐ头诸悾簞傂詨毫δＰ椭饕繙y建筑物外表的風(fēng)壓力〔吸力〕建筑模型材料：采用有機玻璃建筑模型比例：約1:3001:500建筑模型本身、周圍結(jié)構(gòu)模型以及地形都應(yīng)與實物幾何相似，與風(fēng)流動有明顯關(guān)系的特征〔建筑外形、突出局部等〕都應(yīng)正確模擬。風(fēng)洞試驗得到結(jié)構(gòu)的平均壓力、波動壓力、體型系數(shù)。風(fēng)洞試驗一次需持續(xù)60s左右，相應(yīng)實際時間1h。氣動彈性模型對高寬比大于5、需要考慮舒適度的高柔建筑時采用精確地考慮結(jié)構(gòu)的柔性和自振頻率、阻尼的影響。要求模擬幾何尺寸、建筑物的慣性矩、剛度和阻尼特性。剛性高頻力平衡模型模型尺寸較小，1:500量級將一個輕質(zhì)材料的模型固定在高頻反響的力平衡系統(tǒng)上，可得到風(fēng)產(chǎn)生的動力效應(yīng)。模擬結(jié)構(gòu)剛度或高頻力平衡系統(tǒng)模擬結(jié)構(gòu)剛度的基座桿長約150mm的矩形鋼棒與一組很薄的鋼棒組合，可測傾覆力矩和扭矩等力平衡儀實驗示意圖5、總體風(fēng)荷載與局部風(fēng)荷載總體風(fēng)荷載是建筑物各外表承受風(fēng)力作用的合力，是沿高度變化的分布荷載，用于計算抗側(cè)力結(jié)構(gòu)的側(cè)移及各構(gòu)件內(nèi)力。局部風(fēng)荷載用于計算結(jié)構(gòu)構(gòu)件或維護構(gòu)件或圍護構(gòu)件與主體的連接〔水平懸挑構(gòu)件、幕墻構(gòu)件及其連接件等〕，采用風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值Wk計算，但采用局部風(fēng)荷載體型系數(shù)。局部風(fēng)荷載用于計算結(jié)構(gòu)構(gòu)件或維護構(gòu)件或圍護構(gòu)件與主體的連接〔水平懸挑構(gòu)件、幕墻構(gòu)件及其連接件等〕，采用風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值Wk計算，但采用局部風(fēng)荷載體型系數(shù)。當(dāng)建筑群，尤其是高層建筑群，房屋相互間距較近時，由于旋渦的相互干擾，房屋某些部位的局部風(fēng)壓會顯著增大，設(shè)計時應(yīng)予以考慮?！稑?biāo)準(zhǔn)》GB50009規(guī)定：將單獨建筑物的體型系數(shù)s乘以相互干擾系數(shù)(可參考類似條件的試驗資料確定；必要時宜通過風(fēng)洞試驗得出)以考慮風(fēng)力相互干擾的群體效應(yīng)。風(fēng)力作用在高層建筑外表，其壓力分布很不均勻，在角隅、檐口、邊棱處和在附屬結(jié)構(gòu)的部位〔陽臺、雨篷等外挑構(gòu)件〕，局部風(fēng)壓會超過按表所得的平均風(fēng)壓《標(biāo)準(zhǔn)》GB50009規(guī)定：檐口、雨篷、遮陽板、陽臺燈水平構(gòu)件，計算局部上浮風(fēng)荷載時，風(fēng)荷載體型系數(shù)不宜小于2.0.對封閉式建筑物，考慮到建筑物內(nèi)實際存在的個別孔口和縫隙，以及機械通風(fēng)等因素，室內(nèi)可能存在正負(fù)不同的氣壓?！稑?biāo)準(zhǔn)》GB50009規(guī)定：對封閉式建筑物的內(nèi)外表壓力系數(shù)，按外外表風(fēng)壓的正負(fù)情況取-0.2或0.2三、高層建筑結(jié)構(gòu)的舒適度驗算

對照國外的研究成果和有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，與我國現(xiàn)行行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《高層民用建筑鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》〔JGJ99-98〕相協(xié)調(diào)，要求高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)應(yīng)具有更好的使用條件，滿足舒適度的要求。第二節(jié)抗震設(shè)計方法一、結(jié)構(gòu)地震作用計算方法的三個階段靜力法1900年日本學(xué)者大森房吉提出震度法概念，將地震作用簡化為靜力反響譜理論20世紀(jì)30年代美國開展了強震記錄的研究(El-Centro),美國M.Biot提出用地震記錄計算反響譜的概念，50年代初，實現(xiàn)了反響譜的計算，并應(yīng)用于抗震設(shè)計。時程分析方法20世紀(jì)50年代末期,實現(xiàn)了地震反響的動力計算分析，并成功應(yīng)用于抗震設(shè)計。20世紀(jì)70年代，地震反響動力分析得到開展，從彈性時程分析方法開展到彈塑性時程分析方法。基于承載力的抗震設(shè)計方法靜力法和最初的反響譜理論基于承載力和延性的抗震設(shè)計概念以反響譜理論為根底，以三水準(zhǔn)設(shè)防為目標(biāo)，以構(gòu)件極限承載力設(shè)計保證結(jié)構(gòu)承載力，以構(gòu)造措施保證結(jié)構(gòu)延性的完整的抗震設(shè)計方法。承載力與延性的關(guān)系承載力高的結(jié)構(gòu)，延性要求可以較低，而承載力較低時，那么必須設(shè)計具有較高延性的結(jié)構(gòu)。反之，延性不好的結(jié)構(gòu)承載力必須提高，延性好的結(jié)構(gòu)承載力可以降低。基于性能的抗震設(shè)計方法人們研究的熱點要求在不同水準(zhǔn)的地震作用下，直接以結(jié)構(gòu)的性能和表現(xiàn)作為設(shè)計目標(biāo)。可根據(jù)業(yè)主的要求到達(dá)不同的性能目標(biāo)〔正常使用、生命平安、設(shè)備平安、防止倒塌等〕現(xiàn)行的“小震不壞、中震可修、大震不倒”的三水準(zhǔn)目標(biāo)已經(jīng)具備了基于抗震設(shè)計的思想。而基于性能/位移的抗震設(shè)計方法需要定量。地震反響的時程分析方法〔TimeHistoryAnalysis〕和靜力彈塑性計算方法—推覆方法(Push-OverAnalysis)可獲得結(jié)構(gòu)性能和表現(xiàn)定量的兩種主要計算方法?！兑?guī)程》〔JGJ3-2010〕：79度抗震設(shè)防的高層建筑，以下情況應(yīng)采用彈性時程分析法進行多遇地震下的補充計算甲類高層建筑結(jié)構(gòu)；8度I、II類場地和7度，建筑高度>100m8度III、IV類場地，建筑高度>80m乙、丙類高層建筑結(jié)構(gòu)9度，建筑高度>60m豎向不規(guī)那么的高層建筑結(jié)構(gòu)復(fù)雜高層建筑結(jié)構(gòu)〔帶轉(zhuǎn)換層的結(jié)構(gòu)、帶加強層的結(jié)構(gòu)、錯層結(jié)構(gòu)、連體結(jié)構(gòu)、多塔結(jié)構(gòu)等〕質(zhì)量沿高度分布特別不均勻的高層建筑結(jié)構(gòu)二、地震反響譜地震反響譜單自由體系的地震最大絕對加速度反響與其自振周期T的關(guān)系地震反響譜的意義一個確定的地面運動，通過一組阻尼比相同但自振周期各不相同的單自由度體系，所引起的各體系最大加速度反響與相應(yīng)體系自振周期間的關(guān)系曲線設(shè)計反響譜A點的結(jié)構(gòu)特點：自振周期T=0，即頻率無限大，說明該結(jié)構(gòu)為剛體，所以其運動和地面的相同，其最大加速度即地面運動的加速度，該點的地震影響系數(shù)為0.45。A-B段結(jié)構(gòu)在地震作用下的特點：A-B段結(jié)構(gòu)當(dāng)進入彈塑性階段，其剛度降低，自振周期加長，地震作用加大，對抗震很不利，結(jié)構(gòu)物的自振周期不宜設(shè)計在該區(qū)域。結(jié)構(gòu)自振周期應(yīng)盡可能位移C-D段〔大于Tg，并小于5Tg〕，當(dāng)結(jié)構(gòu)進入彈塑性階段，其剛度降低，自振周期加長，地震作用減小，對抗震有利。GB50011-2010地震影響系數(shù)曲線的計算表達(dá)式不變，只對其參數(shù)進行調(diào)整，具體：阻尼比為5%的地震系數(shù)維持不變〔即，與2001標(biāo)準(zhǔn)相同〕根本解決了2001標(biāo)準(zhǔn)在長周期段，不同阻尼比地震影響系數(shù)交叉、大阻尼曲線值高于小阻尼曲線值的不合理現(xiàn)象。I、II、III類場地的地震影響系數(shù)曲線在周期接近6s時，根本交匯于一點上，符合理論和統(tǒng)計規(guī)律。降低了小阻尼〔2%3.5%〕的地震影響系數(shù)值，最大降低幅度達(dá)18%。略微提高了阻尼比6%10%地震影響系數(shù)，長周期局部最大增幅約5%。適當(dāng)降低了大阻尼〔20%30%〕的地震影響系數(shù)值，在5Tg周期以內(nèi)，根本不變，長周期局部最大降幅約10%，有利于消能減震技術(shù)的推廣應(yīng)用。思考題：試按GB50011-2001標(biāo)準(zhǔn)和GB50011-2010標(biāo)準(zhǔn)分別作出Tg=0.35時不同阻尼比0.02、0.035、0.05、0.10、0.20、0.30的地震影響系數(shù)曲線，作比較分析。反響譜方法是我國結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計采用的根本方法優(yōu)點：考慮了地震的強烈程度—烈度、地面運動的特征、結(jié)構(gòu)自身的動力特征—周期與阻尼等。通過反響譜值將結(jié)構(gòu)的動力反響轉(zhuǎn)化為作用于結(jié)構(gòu)上的靜力。缺點：只考慮地面運動中的加速度分量，未考慮地面運動中的速度和位移〔實際上地面運動中的速度分量對結(jié)構(gòu)反響影響很大，在相同加速度峰值下，速度愈大，結(jié)構(gòu)反響愈強烈，結(jié)構(gòu)容易受到破壞〕設(shè)計反響譜只取加速度反響中的最大值，是慣性力的最大值，但不一定是結(jié)構(gòu)的最危險狀態(tài)。反響譜通過單自由度體系計算得到的，應(yīng)用于多自由度結(jié)構(gòu)，只能采用振型分解法。振型組合采用SRSS方法或CQC方法得到結(jié)構(gòu)的內(nèi)力和位移。經(jīng)過振型組合的內(nèi)力不再符合平衡條件。結(jié)構(gòu)的動力特性對地震作用的大小影響極大，由于對結(jié)構(gòu)計算簡圖對結(jié)構(gòu)的簡化，結(jié)構(gòu)自振特性〔周期、振型等〕確實定也是粗糙的目前應(yīng)用的設(shè)計反響譜是單自由度彈性結(jié)構(gòu)的反響譜，只能進行彈性計算，未考慮持時的影響，未考慮結(jié)構(gòu)可能出現(xiàn)塑性和塑性變形的累計過程。對高層建筑結(jié)構(gòu)，反響譜計算得到的地震作用只能是經(jīng)驗的，有很多不確定因素，并不能代表真正的地震作用，特別是等效地震荷載計算得到的內(nèi)力和位移，不是真正地震時結(jié)構(gòu)的內(nèi)力和位移。實踐說明：在正確進行概念設(shè)計的根底上，按標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的方法進行計算和構(gòu)件設(shè)計，可以保證大多數(shù)結(jié)構(gòu)在地震作用下的平安。更需要有效的概念設(shè)計和保證延性的構(gòu)造措施，對高度較大和較為復(fù)雜的高層建筑還需要進行第二階段的變形驗算。經(jīng)過全面的抗震設(shè)計的各個步驟和采取各種措施，結(jié)構(gòu)的平安性才能得到保證。美國加州結(jié)構(gòu)工程師協(xié)會〔SEAOC〕1995年提出。受到美國、日本、歐洲、新西蘭、中國等國普遍重視。十多年來，各國進行了大量的科研和實踐工作。已經(jīng)被多國以標(biāo)準(zhǔn)的形式確認(rèn)。是我國抗震研究和實踐的重要方向。第三節(jié)基于性能抗震設(shè)計方法基于性能設(shè)計Performance-BasedDesign現(xiàn)狀基于性能設(shè)計就是使設(shè)計出的結(jié)構(gòu)在未來的災(zāi)害〔如地震〕作用下維持所要求的性能水平。基于性能設(shè)計一般是指基于性能的抗震設(shè)計。何為基于性能設(shè)計

〔Performance-BasedDesign〕強調(diào)建筑結(jié)構(gòu)性能目標(biāo)的“個性化”。業(yè)主、設(shè)計師有更大的自主權(quán)?？朔F(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)的局限性。有利于新材料、新方法的推廣應(yīng)用。不僅強調(diào)保證生命平安，同時強調(diào)防止財產(chǎn)損失?；谛阅芸拐鹪O(shè)計的主要優(yōu)點性能目標(biāo)確實定和應(yīng)用?；谛阅芸拐鹪O(shè)計的理論框架和實現(xiàn)方法。基于性能抗震設(shè)計的具體實踐和開展趨勢。 理解基于性能抗震設(shè)計的三個主要方面抗震性能目標(biāo)〔美國FEMA273〕aeimklhgdcbfjnpo基本性能目標(biāo)性能目標(biāo)增高2％10％20％50％接近倒塌生命安全立即入住正常使用結(jié)構(gòu)性能要求增加地震烈度增加50年超越概率

抗震性能目標(biāo)地震風(fēng)險結(jié)構(gòu)類型新建筑普通加固高人口密度最少修理時間50％/50年10％/50年5％/50年

破壞控制結(jié)構(gòu)穩(wěn)定

生命安全

生命安全生命安全

立即入住美國ATC40日本建筑研究院報告地震風(fēng)險性能水平正常使用易修復(fù)生命安全EaEbEcEdEe

ABC

ABCABC說明：Ea到Ee地震烈度減小

Ed、Ee相當(dāng)于中等烈度，Ec相當(dāng)于高烈度地震性能目標(biāo)AAA為最高性能目標(biāo)，性能目標(biāo)CCC為最低性能目標(biāo)

抗震性能目標(biāo)日本新的建筑根本法性能水平正常使用易修復(fù)生命安全生命安全（防止結(jié)構(gòu)整體和層間破壞）

破壞限制（防止結(jié)構(gòu)整體、構(gòu)件、內(nèi)外裝修材料的破壞）最大地震動（重現(xiàn)期約為500年）

壽命周期內(nèi)發(fā)生一次地震水平（重現(xiàn)期約為30～50年）最大內(nèi)力和位移

每個結(jié)構(gòu)構(gòu)件的內(nèi)力和位移強度和位移限值

強度和位移限值

抗震性能目標(biāo)我國標(biāo)準(zhǔn)的性能目標(biāo)

抗震性能目標(biāo)

性能目標(biāo)

性能水準(zhǔn)地震水準(zhǔn)ABCD多遇地震（小震）1111設(shè)防烈度地震（中震）1234預(yù)估的罕遇地震（大震）2345性能目標(biāo)A：多遇地震〔小震〕和設(shè)防烈度地震〔中震〕均滿足性能水準(zhǔn)1的要求，預(yù)估的罕遇地震〔大震〕下滿足性能水準(zhǔn)2的要求；整體結(jié)構(gòu)根本完好，局部構(gòu)件輕微損壞。性能目標(biāo)B：多遇地震〔小震〕下滿足性能水準(zhǔn)1的要求，設(shè)防烈度地震〔中震〕下滿足性能水準(zhǔn)2的要求，預(yù)估的罕遇地震(大震)下滿足性能水準(zhǔn)3的要求；局部結(jié)構(gòu)構(gòu)件輕度損壞。性能目標(biāo)C：多遇地震〔小震〕下滿足性能水準(zhǔn)1的要求，設(shè)防烈度地震〔中震〕下滿足性能水準(zhǔn)3的要求，預(yù)估的罕遇地震〔大震〕下滿足性能水準(zhǔn)4的要求；結(jié)構(gòu)中度損壞。性能目標(biāo)D：多遇地震〔小震〕下滿足性能水準(zhǔn)1的要求，設(shè)防烈度地震〔中震〕下滿足性能水準(zhǔn)4的要求，預(yù)估的罕遇地震〔大震〕下滿足性能水準(zhǔn)5的要求；結(jié)構(gòu)比較嚴(yán)重?fù)p壞。關(guān)鍵構(gòu)件——指構(gòu)件的失效可能引起結(jié)構(gòu)的連續(xù)破壞或危及生命平安的嚴(yán)重破壞，可由結(jié)構(gòu)工程師根據(jù)工程實際情況分析確定。例如底部加強部位的重要豎向構(gòu)件、水平轉(zhuǎn)換構(gòu)件及與其相連豎向支承構(gòu)件、大跨度連體結(jié)構(gòu)的連接體及與其相連的豎向支承構(gòu)件、大懸挑結(jié)構(gòu)的主要懸挑構(gòu)件、加強層伸臂和周邊環(huán)帶結(jié)構(gòu)的豎向支承構(gòu)件、承托上部多個樓層框架柱的腰桁架、長短柱在同一樓層且數(shù)量相當(dāng)時該層各個長短柱、扭轉(zhuǎn)變形很大部位的豎向〔斜向〕構(gòu)件、重要的斜撐構(gòu)件等。普通豎向構(gòu)件——指“關(guān)鍵構(gòu)件”之外的豎向構(gòu)件。耗能構(gòu)件——包括框架梁、剪力墻、連梁及耗能支撐等。各性能水準(zhǔn)結(jié)構(gòu)預(yù)期的震后性能狀況《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》〔JGJ3-2010〕給出了五個抗震性能水準(zhǔn)具體內(nèi)容如下：第1性能水準(zhǔn)：結(jié)構(gòu)在地震作用下完好、無損傷，一般不需修理即可繼續(xù)使用。第2性能水準(zhǔn)：結(jié)構(gòu)在地震作用下根本完好，僅耗能構(gòu)件輕微損壞，稍加修理即可繼續(xù)使用。第3性能水準(zhǔn)：結(jié)構(gòu)在地震作用下發(fā)生輕度損壞，關(guān)鍵構(gòu)件輕微損壞，局部普通豎向構(gòu)件輕微損壞，耗能構(gòu)件輕度損壞，局部中度損壞；經(jīng)過一般修理后可繼續(xù)使用。第4性能水準(zhǔn)：結(jié)構(gòu)在地震作用下發(fā)生中度損壞，關(guān)鍵構(gòu)件輕度損壞，局部普通豎向構(gòu)件中度損壞，耗能構(gòu)件中度損壞，局部比較嚴(yán)重?fù)p壞；經(jīng)過修復(fù)或加固后可繼續(xù)使用。第5性能水準(zhǔn)：結(jié)構(gòu)在地震作用下比較嚴(yán)重?fù)p壞，關(guān)鍵構(gòu)件中度損壞，局部普通豎向構(gòu)件比較嚴(yán)重?fù)p壞，耗能構(gòu)件嚴(yán)重?fù)p壞；需排險大修?？拐鹦阅苣繕?biāo)和性能水準(zhǔn)示意圖

性能水準(zhǔn)的判別準(zhǔn)那么

第1性能水準(zhǔn)的結(jié)構(gòu)

第2性能水準(zhǔn)的結(jié)構(gòu)

性能水準(zhǔn)的判別準(zhǔn)那么

第3性能水準(zhǔn)的結(jié)構(gòu)

性能水準(zhǔn)的判別準(zhǔn)那么

第4性能水準(zhǔn)的結(jié)構(gòu)

性能水準(zhǔn)的判別準(zhǔn)那么

第5性能水準(zhǔn)的結(jié)構(gòu)

第5性能水準(zhǔn)的結(jié)構(gòu)應(yīng)進行彈塑性計算分析。在預(yù)估的罕遇地震作用下，關(guān)鍵構(gòu)件的抗震承載力宜符合式〔17-2〕的規(guī)定；較多的豎向構(gòu)件進入屈服階段，但同一樓層的豎向構(gòu)件不宜全部屈服；豎向構(gòu)件的受剪截面應(yīng)符合式〔17-4〕或式〔17-5〕的規(guī)定；允許局部耗能構(gòu)件發(fā)生比較嚴(yán)重的破壞；結(jié)構(gòu)薄弱部位的層間位移角應(yīng)符合《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》〔JGJ3-2010〕第條的規(guī)定。第5性能水準(zhǔn)結(jié)構(gòu)的設(shè)計要求與第4性能水準(zhǔn)結(jié)構(gòu)的差異是，關(guān)鍵構(gòu)件承載力宜滿足“屈服承載力設(shè)計”的要求，允許比較多的豎向構(gòu)件進入屈服階段，并允許局部“梁”等耗能構(gòu)件發(fā)生比較嚴(yán)重的破壞。結(jié)構(gòu)的抗震性能必須通過彈塑性計算加以深入分析，尤其應(yīng)注意同一樓層的豎向構(gòu)件不宜全部進入屈服并宜控制整體結(jié)構(gòu)承載力下降的幅度不超過10%。性能水準(zhǔn)的判別準(zhǔn)那么抗震性能目標(biāo)確實定和使用具體的抗震性能目標(biāo)以標(biāo)準(zhǔn)的形式表達(dá)。業(yè)主有充分選擇抗震性能目標(biāo)的自由。設(shè)計者在實現(xiàn)抗震性能目標(biāo)過程中可以充分發(fā)揮創(chuàng)造力。 基于性能抗震設(shè)計步驟根據(jù)業(yè)主要求確定性能目標(biāo)不滿足性能目標(biāo)根據(jù)性能目標(biāo)進行結(jié)構(gòu)設(shè)計對結(jié)構(gòu)設(shè)計進行性能評估滿足性能目標(biāo)完成設(shè)計明確性能目標(biāo)性能抗震設(shè)計根本步驟框圖結(jié)構(gòu)抗震性能設(shè)計的主要工作包括：1．結(jié)構(gòu)方案分析論證分析結(jié)構(gòu)方案在房屋高度、規(guī)那么性、結(jié)構(gòu)類型、場地條件或抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)等方面的特殊要求，確定結(jié)構(gòu)設(shè)計是否需要采用抗震性能設(shè)計方法，并作為選用抗震性能目標(biāo)的主要依據(jù)。多數(shù)情況下，需要采用抗震性能設(shè)計的工程，一般表現(xiàn)為不能完全符合抗震概念設(shè)計的要求。因此，結(jié)構(gòu)方案特殊性的分析中要注重分析結(jié)構(gòu)方案不符合抗震概念設(shè)計的情況和程度。結(jié)構(gòu)工程師應(yīng)根據(jù)規(guī)程有關(guān)抗震概念設(shè)計的規(guī)定，與建筑師協(xié)調(diào)，改進結(jié)構(gòu)方案，盡量減少結(jié)構(gòu)不符合概念設(shè)計的情況和程度，不應(yīng)采用嚴(yán)重不規(guī)那么的結(jié)構(gòu)方案。對于特別不規(guī)那么結(jié)構(gòu)，可進行抗震性能設(shè)計，但須慎重選用抗震性能目標(biāo)，并通過深入分析論證。建筑師、結(jié)構(gòu)工程師、設(shè)備工程師和經(jīng)濟師對初步選定的方案進行論證和評價，設(shè)計方案論證中，強調(diào)對各項具體性能要求采取的措施，包括結(jié)構(gòu)體系、采用新材料、新設(shè)備和新技術(shù)的依據(jù)以及必要的試驗，非結(jié)構(gòu)幕墻、各項設(shè)備、隔墻等抗震措施，詳細(xì)的計算分析〔彈性及非線性分析〕，細(xì)部構(gòu)造，經(jīng)濟分析等。如經(jīng)論證、評價對初步選定的方案不滿意，那么進行二次設(shè)計或由業(yè)主修改性能目標(biāo)。論證完成后送專家評審，如評審不通過或需要修改，那么進行修改設(shè)計。2．選用抗震性能目標(biāo)結(jié)構(gòu)抗震性能目標(biāo)應(yīng)綜合考慮抗震設(shè)防類別、設(shè)防烈度、場地條件、結(jié)構(gòu)的特殊性、建造費用、震后損失和修復(fù)難易程度等各項因素選定。抗震性能目標(biāo)是指在設(shè)定的地震地面運動水準(zhǔn)下建筑物的預(yù)期性能水準(zhǔn)。我國《建筑抗震設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》〔GB50011-2010〕地震地面運動一般設(shè)定三個水準(zhǔn)：設(shè)計基準(zhǔn)期50年內(nèi)超越概率為63%的地震烈度取為第一水準(zhǔn)烈度，即小震；設(shè)計基準(zhǔn)期50年內(nèi)超越概率為10%的地震烈度取為第二水準(zhǔn)烈度，即中震；設(shè)計基準(zhǔn)期50年內(nèi)超越概率為2%～3%的地震烈度取為第三水準(zhǔn)烈度，即大震。《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》〔JGJ3-2010〕將結(jié)構(gòu)的抗震性能目標(biāo)分為A、B、C、D四個等級〔表17-1〕，結(jié)構(gòu)抗震性能分為1、2、3、4、5五個水準(zhǔn)〔表17-2〕，每個性能目標(biāo)均與一組在指定地震地面運動下的結(jié)構(gòu)抗震性能水準(zhǔn)相對應(yīng)。根據(jù)行政管理部門或有關(guān)的文件、標(biāo)準(zhǔn)制訂建筑抗震性能目標(biāo)和性能水準(zhǔn)?？拐鹦阅苣繕?biāo)經(jīng)業(yè)主初步選定后，建筑師開始進行建筑方案設(shè)計。3．結(jié)構(gòu)抗震性能分析論證結(jié)構(gòu)抗震性能分析論證的重點是深入的計算分析和工程判斷，找出結(jié)構(gòu)有可能出現(xiàn)的薄弱部位，提出有針對性的抗震加強措施，必須的試驗驗證，分析論證結(jié)構(gòu)可到達(dá)預(yù)期的抗震性能目標(biāo)。一般需要進行以下工作：分析確定結(jié)構(gòu)超出規(guī)程適用范圍及不規(guī)那么性的情況和程度。認(rèn)定場地條件、抗震設(shè)防類別和地震動參數(shù)。深入的彈性和彈塑性計算分析〔靜力分析和時程分析〕，并判斷計算結(jié)果的合理性。找出結(jié)構(gòu)有可能出現(xiàn)的薄弱部位以及需要加強的關(guān)鍵部位，提出針對性的抗震加強措施。必要時還需進行構(gòu)件、節(jié)點或整體模型的抗震試驗，補充提出論證依據(jù)，例如對規(guī)程未列入的新型結(jié)構(gòu)方案又無震害和試驗依據(jù)或?qū)τ嬎惴治鲭y以判斷、抗震概念難以接受的復(fù)雜結(jié)構(gòu)方案?；谛阅艿目拐鹪O(shè)計方法與以往方法的聯(lián)系基于性能抗震設(shè)計在保障結(jié)構(gòu)最低目標(biāo)性能〔“共性”〕時，考慮的是社會總費用；確定特殊目標(biāo)性能〔“個性”〕時，考慮的是業(yè)主費用。我國還沒有以標(biāo)準(zhǔn)的形式確定基于性能的設(shè)計方法，但已被公認(rèn)為重要的開展趨勢現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)的“小震不壞，中震可修、大震不倒”也是一種性能目標(biāo)目前在我國，基于性能抗震設(shè)計主要被應(yīng)用于復(fù)雜、超限結(jié)構(gòu) 第四節(jié)彈塑性地震反響分析一、時程分析法在結(jié)構(gòu)根底部位作用一個地面運動加速度時程，用動力方法直接計算出結(jié)構(gòu)隨時間而變化的地震反響。1、動力計算方法多自由度體系的動力方程2、計算模型桿模型以桿件為計算的根本單元，剛度矩陣的建立、計算簡圖〔平面、空間〕、質(zhì)量集中到樓板高度。確定每個桿件最大內(nèi)力和最大變形，以及桿件和樓層的位移適用：彈性時程分析、用于研究層模型整個結(jié)構(gòu)視為一根懸臂桿，每個樓層質(zhì)量集中為一個質(zhì)點，樓層的剛度凝聚在一根桿中。層模型：剪切型〔S型〕、彎剪型〔SB型〕、彎曲型〔B型〕、局部彎剪型〔局部SB型〕、等效剪切型〔等效S型〕等確定結(jié)構(gòu)層剪力、層位移、層間位移角等確定結(jié)構(gòu)薄弱層設(shè)計第二階段的層間位移角驗算適用：彈塑性時程分析、用于設(shè)計第二階段倒塌驗算局部層間SB模型S模型3、恢復(fù)力模型

滯回曲線—反復(fù)荷載作用下桿件實測的力

位移曲線唐興榮,劉偉慶,錢奕技.空間鋼構(gòu)架混凝土柱抗震性能的試驗研究.建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報，2005,25〔5〕：11-28空間鋼構(gòu)架混凝土框架結(jié)構(gòu)

RCKJ-0（a）恢復(fù)力模型（b）骨架曲線

RestoringforcemodelsofRCKJ

SRCKJ-1SRCKJ-2

（a）恢復(fù)力模型（b）骨架曲線

RestoringforcemodelsofSRCKJ

唐興榮，何葆林.空間鋼構(gòu)架混凝土框架結(jié)構(gòu)抗震性能試驗研究和設(shè)計建議.建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報，2009，30〔3〕：45-52〔EI文摘號:20092712172087)退化三線性滯回模型

恢復(fù)力模型滯回曲線模型化，給出可用于數(shù)值計算的反復(fù)循環(huán)力-變形的非線性關(guān)系〔反復(fù)荷載作用下桿件剛度、開裂、屈服、荷載反向作用等原因，桿件剛度的變化〕拐點的確定

參見：唐興榮，姚江峰.帶轉(zhuǎn)換層高層建筑結(jié)構(gòu)的彈塑性地震反響分析，南京工業(yè)大學(xué)學(xué)報，2006，28〔3〕：33-384、質(zhì)量矩陣與阻尼矩陣5、地震波應(yīng)按建筑場地類別和設(shè)計地震分組選用不少于二組實際地震記錄和一組人工模擬的加速度時程曲線人工模擬加速度時程曲線其平均地震影響系數(shù)曲線與振型分解反響譜法所采用的地震影響系數(shù)曲線在統(tǒng)計上相符。彈性時程分析時，每條時程曲線計算所得的結(jié)構(gòu)底部剪力不應(yīng)小于振型分解反響譜法求得的底部剪力的65%，多條時程曲線計算所得的結(jié)構(gòu)底部剪力的平均值不應(yīng)小于振型分解反響譜法求得的底部剪力的80%地震波的有效持續(xù)時間，一般從首次到達(dá)該時程曲線最大值的10%那一點算起，到最后一點到達(dá)最大峰值的10%為止。不管是實際強震記錄還是人工模擬波形，有效持續(xù)時間一般為結(jié)構(gòu)根本自振周期的5-10倍，即結(jié)構(gòu)頂點的位移可按根本周期往復(fù)〔5-10〕次。地震波的時間間距可取0.01s或0.02s

輸入地震加速度的最大值El-Centro波（N-S）時程曲線

Pasadena波（E-W）時程曲線

Shw2002波時程曲線

《上海建筑抗震設(shè)計規(guī)程》〔DGJ08-9-2003〕推薦的適合上海IV類場地的人工擬合的地震波。二、靜力彈塑性分析推覆分析Push-OverAnalysis在結(jié)構(gòu)上施加一組靜力(豎向荷載和水平荷載)，考慮構(gòu)件從開裂到屈服，剛度逐步改變的彈塑性計算方法。計算時豎向荷載不變，水平荷載由小到大，逐步加載，每一步會有局部構(gòu)件屈服，屈服的構(gòu)件需要改變剛度，重新建立剛度矩陣，在增量荷載作用下再進行分析，得到的結(jié)果疊加在前一步計算的結(jié)果上，如此逐步計算，直到結(jié)構(gòu)到達(dá)其極限承載力或極限位移，結(jié)構(gòu)倒塌。靜力彈塑性分析需給出的條件計算簡圖及荷載與一般靜力分析相同〔平面結(jié)構(gòu)或空間結(jié)構(gòu)〕；豎向荷載不變，水平荷載盡可能能代表地震作用的荷載分布形式，荷載由小到大變化，分布形式不變。構(gòu)件參數(shù)：幾何尺寸、彈性剛度；每個構(gòu)件力變形的彈塑性骨架線〔有明顯的屈服點和極限承載力的二線性或三線性骨架線〕靜力彈塑性分析的主要功能結(jié)構(gòu)承受的水平荷載作用時內(nèi)力和變形的全過程；結(jié)構(gòu)的最大承載能力和極限變形能力，包括層間位移角和頂點位移等重要指標(biāo)；估價相對于設(shè)計荷載而言的結(jié)構(gòu)承載力的平安儲藏等第一批塑性鉸位置和各個階段的塑性鉸出現(xiàn)次序和分布狀態(tài)；判斷結(jié)構(gòu)是否符合強柱弱梁、強剪弱彎等設(shè)計要求不同受力階段下樓層側(cè)移和層間位移角沿高度的分布，結(jié)合塑性鉸的分布情況可以檢查是否存在薄弱層不同