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18抗震性能設計 -2016.6

發布時間:2016-06-27


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抗震性能設計

一、規范規定

《建筑抗震設計規范統一培訓教材》中指出:

抗震性能化設計仍然是以現有的抗震科學水平和經濟條件為前提的,一般需要綜合考慮使用功能、設防烈度、結構的不規則程度和類型、結構發揮延性變形的能力、造價、震后的各種損失及修復難度等等因素。不同的抗震設防類別,其性能設計要求也有所不同。

鑒于目前強烈地震下的結構非線性分析方法的計算模型和計算參數的選用尚存在不少經驗因素,缺少從強震記錄、設計施工資料到設計震害的詳細驗證,對結構性能的判斷難以十分準確,因此在性能設計指標的選用中宜偏于安全一些。

建筑的抗震性能化設計,立足于承載力和變形能力的綜合考慮,具有很強的針對性和靈活性。針對具體工程的需要和可能,可以對整個結構、也可以對某些部位或關鍵構件,靈活運用各種措施達到預期的性能目標——著重提高抗震安全性或滿足使用功能的專門要求。

例如,可以根據樓梯間作為抗震安全島的要求,提出確保大震下樓梯間具有安全避難通道的具體目標和性能要求;可以針對特別不規則、復雜建筑結構的具體情況,對抗側力結構的水平構件和豎向構件分別提出相應的性能目標,提高其整體或關鍵部位的抗震安全性;對于地震時需要連續工作的機電設備,其相關部位的層間位移需滿足設備運行所需的層間位移限值的專門要求;其他情況,可對震后的殘余變形提出滿足設施檢修后運行的位移要求,也可提出大震后可修復運行的位移要求。建筑構件采用與結構構件柔性連接,只要可靠拉結并留有足夠的間隙,如玻璃幕墻與鋼框之間預留變形縫隙,震害經驗表明,幕墻在結構總體安全時可以滿足大震后繼續使用的要求。還可以提高結構在罕遇地震下的層間位移控制值,如國外對抗震設防類別高的建筑,其彈塑性層間位移角比普通建筑的規定值減少20%~50%。

《抗震規范》附錄M對結構抗震性能設計的不同要求做了規定,分別給出在設防烈度地震、罕遇地震時,按照設計值和標準值進行計算的相關公式。

《高規》3.11節最先提出結構抗震性能設計分為1、2、3、4、5五個性能水準,并對每一個性能設計水準規定了具體的計算公式和方法。

《廣東高規》3.11節對《高規》的五個性能設計水準給出了更明確的計算公式,比如《廣東高規》規定了不同性能水準下的構件重要性系數及承載力利用系數,特別是《廣東高規》對第3、第4、第5性能設計水準不再像《高規》那樣提出應進行彈塑性計算分析的要求,明確了可按線彈性有限元計算出的內力位移進行性能設計的公式,這些規定便于軟件實現,使軟件可以直接利用線彈性有限元結果進行性能設計。

《上??挂帯犯戒?/span>L對抗震性能化設計做了規定。

、軟件實現

抗震性能設計的計算參數如圖3.9.1所示。

3.9.1 性能設計對話框

1、性能設計包括中震、大震兩種地震水準

如果用戶在地震信息中勾選考慮性能設計參數,就意味著當前的設計計算需要按照中震或者大震的要求進行。

勾選性能設計參數后首先需要在中震和大震這兩個地震水準項中選擇,如圖3.9.2所示。中震、大震對應著抗震規范中設防地震、罕遇地震的概念。

C:\Users\chendailin\AppData\Roaming\feiq\RichOle\1588257444.bmp

3.9.2 地震水準

用戶勾選中震或大震,軟件將自動按照抗震規范設防地震罕遇地震規定的地震影響系數最大值調整參數。

軟件提供按規范選擇性能設計計算的方法,包括抗規、高規、廣東高規。

無論按何種規范進行性能設計,均不考慮地震效應和風效應的組合,不考慮與抗震等級有關的內力調整系數。

2、按《抗震規范》的性能設計

抗震規范M.1.2-2結構構件承載力按不考慮地震作用效應調整的設計值復核時,應采用不計入風荷載效應的基本組合,并按下式驗算。。。

抗震規范M.1.2-3結構構件承載力按標準值復核時,應采用不計入風荷載效應的地震作用效應標準組合,并按下式驗算。。。

抗震規范M.1.2-4結構構件按極限承載力復核時,應采用不計入風荷載效應的地震作用效應標準組合,并按下式驗算。。。

這里提到了承載力計算三個不同層次的計算方式,對應設計值和基本組合、標準值和標準組合、極限值和標準組合。

對應這三個不同層次的計算,軟件提供了彈性、不屈服兩個選項,中震或大震彈性大致對應《抗震規范M.1.2-2按設計值和基本組合承載力計算;中震不屈服大致對應《抗震規范M.1.2-3按標準值和標準組合承載力計算。大震不屈服大致對應抗震規范M.1.2-4按極限值和標準組合承載力計算。

這里的參數彈性、不屈服的叫法是多年來在超限審查中專家對抗震規范M.1.2中三個不同層次計算的習慣提法。

在按抗震規范進行性能設計時,用戶還需要區分正截面、斜截面,分別選擇彈性不屈服,這是為了適應用戶可分別對正截面、斜截面選擇《抗震規范M.1.2中三個不同層次的計算。

選擇中震或大震彈性、不屈服設計時,軟件自動處理的內容如下:

彈性:

1)不考慮風荷載參與地震組合;

2)不考慮與抗震等級有關的增大系數;

不屈服:

1)不考慮風荷載參與地震組合;

2)不考慮與抗震等級有關的增大系數;

3)不考慮荷載分項系數;

4)不考慮承載力抗震調整系數;

5)材料強度:中震時為標準值,大震時為極限值;

3、按《廣東高規》的性能設計

《廣東高規》3.11節對結構的抗震性能設計給出了4個性能目標及每個性能目標下不同地震水準對應的性能水準。與《高規》不同的是,《廣東高規》規定了不同性能水準下的構件重要性系數及承載力利用系數,更便于軟件實現。

《廣東高規》3.11.3 結構在小震作用下應滿足彈性設計要求,結構構件的承載力和變形應符合本規程的有關規定。不同抗震性能水準的結構設計在中、大震作用下可按下列規定進行

1 1性能水準的結構在中震作用下,全部結構構件的抗震承載力宜符合下式要求:

+η+0.4≤ξ3.11.3-1

式中——材料強度標準值計算的構件承載力;

ξ——承載力利用系數,壓、剪取0.6,彎、拉取0.69;

、——分別為水平和豎向中震作用計算的構件內力標準值,不需乘以與抗震等級有關的增大系數;

η——構件重要性系數,關鍵構件可取η=1.05-1.15,一般構件可取η=1.0,水平耗能構件可取η=0.7-0.9。

2 2性能水準的結構在中震作用下,結構構件的抗震承載力宜合式(3.11.3-1要求,式中承載力利用系數ξ,壓、剪取0.67;彎、拉取0.77。

2性能水準的結構在大震作用下,結構構件的抗震承載力宜合式(3.11.3-2的要求

+η+0.4≤ξ3.11.3-2

式中——材料強度標準值計算的構件承載力;

、——分別為水平和豎向震作用計算的構件內力標準值,不需乘以與抗震等級有關的增大系數;

ξ——承載力利用系數,壓、剪取0.83,彎、拉取1.0;

3 3性能水準的結構在中震作用下,結構構件的抗震承載力宜合式(3.11.3-1)要求,承載力利用系數ξ,壓、剪取0.74;彎、拉取0.87;大震作用下,豎向構件的受剪截面宜滿足式(3.11.3-3)。

+η≤ζbh0

式中——重力荷載代表值作用下的構件剪力標準值;

——震作用下的構件剪力標準值,不需乘以與抗震等級有關的增大系數;

ζ——剪壓比,取ζ=0.133。

4 4性能水準的結構在中震作用下,結構構件的抗震承載力宜合式(3.11.3-1要求,承載力利用系數ξ,壓、剪取0.83;彎、拉取1.0。在大震作用下,豎向構件的受剪截面宜滿足式(3.11.3-3),取ζ=0.15。

5 5性能水準的結構在大震作用下,豎向構件的受剪截面宜滿足式(3.11.3-3),取ζ=0.167。

從以上條文可以看出,《廣東高規》明確了可按線彈性有限元計算出的內力位移進行性能設計的公式,這些規定便于軟件實現,使軟件可以直接利用線彈性有限元結果進行性能設計。

3.9.3 廣東高規性能設計

勾選性能設計(廣東規程)后,須按性能水準選擇,如圖3.9.3所示。其中,中震時可選1、2、3、4,大震時可選2、3、4、5。其中,構件重要性系數可以在參數中設置,并可在特殊構件定義中交互修改,軟件根據輸入的構件重要性系數及性能水準自動按照規范規定的相關計算公式計算。

構件區分關鍵構件、一般豎向構件和水平耗能構件,三類構件用構件重要性系數加以區分。軟件默認剪力墻為關鍵構件,柱、支撐為一般豎向構件,梁為水平耗能構件。如果實際設計的構件與默認不符,用戶可在前處理及計算重要性系數中修改單構件的重要性系數,軟件在計算前處理設置了重要性系數菜單,可對梁、柱、墻柱、墻梁、支撐按單構件分別設置重要性系數,如圖3.9.4所示,就是配合《廣東高規》的需要。重要性系數菜單僅當采用《廣東高規》進行性能設計起作用。

3.9.4 廣東高規構件重要性系數設置菜單

按照廣東高規進行性能設計時,荷載效應均采用標準組合,材料強度以標準值為基準,對于《廣東高規》公式3.11.3中的承載力利用系數、豎向構件剪壓比,選擇不同性能水準的軟件具體實現如下:

????????????? 中震性能:1:承載力利用系數,壓、剪取0.6,拉、彎取0.69;

????????????? 中震性能2:承載力利用系數,壓、剪取0.67,拉、彎取0.77;

????????????? 中震性能3:承載力利用系數,壓、剪取0.74,拉、彎取0.87;

????????????? 中震性能4:承載力利用系數,壓、剪取0.83,拉、彎取1.0;

????????????? 大震性能2:承載力利用系數,壓、剪取0.83,拉、彎取1.0;

????????????? 大震性能3:豎向構件剪壓比0.133;

????????????? 大震性能4:豎向構件剪壓比0.15;

????????????? 大震性能5:豎向構件剪壓比0.167;

4、按《高規》的性能設計

高規首次提出了可按5個性能設計水準設計的具體方法,但是在《高規》3.11.3條中,對第3、第4、第5性能水準的結構都首先提到應進行彈塑性計算分析,因此在YJK的早期版本中沒有提供專門按照《高規》的性能設計方法。

廣東高規取消了高規》對第3、第4、第5性能水準的結構應進行彈塑性計算分析的提法,從而明確了按照線彈性有限元計算分析方法進行5個性能水準性能設計的公式,同時很多用戶建議對《高規》的5個性能水準的計算也依據線彈性有限元分析方法的內力結果,因此YJK新版在性能設計的規范選項增加了按《高規》計算。

勾選性能設計(高規)后,須按性能水準選擇,其中,中震時可選1、2、3、4,大震時可選2、3、4、5。定義好結構的關鍵構件、一般豎向構件、水平耗能構件屬性后,軟件自動按照《高規》3.11.3關于某一性能水準下按構件屬性分類的正、斜截面的相關公式和規定執行。

廣東高規流程類似,軟件默認剪力墻為關鍵構件,柱、支撐為一般豎向構件,梁為水平耗能構件。如果實際設計的構件屬性與默認不符,用戶可在前處理及計算相關菜單中修改構件的性能設計屬性。

三、性能設計相關的前處理及計算

1、特殊構件定義

如果選擇按《高規》進行抗震性能設計,則可以在特殊構件定義中指定構件重要性類別,分為耗能構件、一般豎向構件、關鍵構件,軟件根據構件類別自動生成默認值,工程師可僅針對所關心的關鍵部分進行查改。

如果選擇按《廣東高規》進行抗震性能設計,則可以在特殊構件定義中交互修改構件重要性系數,軟件根據構件類別自動生成默認值,工程師可僅針對所關心的關鍵部分進行查改。

2、荷載組合

由于同一性能水準下構件的正截面、斜截面設計可能存在差別,軟件區分了正截面設計、斜截面設計時的荷載組合。如果正截面、斜截面設計時的荷載組合不同,則工程師可在構件信息文本中分別查看正截面、斜截面設計時的荷載組合。

對于鋼構件、鋼管混凝土構件,軟件不區分正截面、斜截面設計的荷載組合,均按斜截面設計要求進行荷載組合。

無論按何種規范進行性能設計,均不考慮地震效應和風效應的組合,不考慮與抗震等級有關的內力調整系數。

3、不同地震水準下的性能設計

目前軟件一次計算所包含的性能設計內容均為同一地震水準下,規范中關于性能目標的規定是包含小、中、大震(即多遇地震、設防烈度地震、罕遇地震)等不同地震水準下的性能水準要求的。對此,工程師可采用軟件提供的包絡設計功能實現,將工程復制成3份,分別對應小、中、大震的計算結果,然后根據工程實際情況指定需要包絡設計的構件,進行包絡設計即可。

4、性能設計時標準內力的調整處理

對于剪重比、薄弱層、0.2V0調整等需要參數設置的調整項目,軟件將仍然按用戶設置的相關參數進行,例如,用戶已經在參數中設置了剪重比自動調整、薄弱層自動放大調整、0.2V0調整等項目,軟件在進行性能設計時仍進行這些調整,不會因為進行了性能設計而不再執行相關的參數,因此用戶應在性能設計計算時,取消原來對多遇地震計算設置的相關調整選項。

對于框支柱地震內力調整等不需要參數控制而由軟件自動進行調整的內容,軟件自動取消調整。

5、性能設計常見問題

1哪些參數需要手工修改?

剪重比、薄弱層、0.2V0調整等提供參數選項的內容需要手工修改;

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