【JY】淺析基于性能的抗震分析方法——性能設(shè)計(jì)

建源之光 - 減隔震

2023年5月8日 17:07

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【寫(xiě)在前文】

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【JY】基于性能的抗震設(shè)計(jì)（一）

【JY】基于性能的抗震設(shè)計(jì)（二）

【JY|理念】結(jié)構(gòu)概念設(shè)計(jì)之(設(shè)計(jì)理念進(jìn)展)

【性能設(shè)計(jì)】

建筑結(jié)構(gòu)通常使用彈性分析進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)，主要目的是為了將復(fù)雜的非線性問(wèn)題，簡(jiǎn)化為易于分析理解的線彈性問(wèn)題，進(jìn)而借助反應(yīng)譜、彈性時(shí)程分析等快速對(duì)建筑結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析設(shè)計(jì)。然而，大多數(shù)建筑物在大地震下都會(huì)經(jīng)歷顯著的非彈性變形。基于性能的設(shè)計(jì)分析方法也隨著算力的增強(qiáng)而出現(xiàn)。

現(xiàn)代基于性能的設(shè)計(jì)方法是確定結(jié)構(gòu)在某種條件下的實(shí)際行為的方法。在計(jì)算技術(shù)及算力的進(jìn)步和可用測(cè)試數(shù)據(jù)的支持下，非線性分析為計(jì)算彈性范圍以外的結(jié)構(gòu)響應(yīng)提供了手段，包括與非彈性材料行為、接觸非線性行為和大位移相關(guān)的強(qiáng)度和剛度退化等等。因此，非線性分析可以在新建建筑的設(shè)計(jì)或既有建筑物的加固改造中發(fā)揮著重要作用。

非線性分析需要付出更多的精力、時(shí)間與算力，并且應(yīng)該考慮到具體的目標(biāo)。在結(jié)構(gòu)地震工程實(shí)踐中應(yīng)用非線性分析的典型實(shí)例是：

(1)評(píng)估和設(shè)計(jì)既有建筑的抗震改造解決方案;
(2)設(shè)計(jì)采用不符合現(xiàn)行建筑規(guī)范要求的結(jié)構(gòu)材料、系統(tǒng)或其他特征的新建筑;
(3)根據(jù)特定的業(yè)主/甲方等，要求評(píng)估建筑的安全性能。

建筑物的抗震性能通常與建筑物結(jié)構(gòu)、圍護(hù)結(jié)構(gòu)、隔墻、天花板、暖通/電氣系統(tǒng)和內(nèi)容物的損壞有關(guān)。

雖然建筑物的性能是連續(xù)的，但出于設(shè)計(jì)目的，可以方便地確定對(duì)建筑物功能、財(cái)產(chǎn)保護(hù)和安全有重大影響的主要結(jié)構(gòu)和其他建筑部件的離散性能水平。在性能設(shè)計(jì)時(shí)，需對(duì)三個(gè)性能級(jí)別提供指導(dǎo)（各個(gè)國(guó)家或標(biāo)準(zhǔn)可能有差異，但都包含）:

?立即使用（IO）：通過(guò)限制結(jié)構(gòu)損傷(例如，鋼的屈服、混凝土的顯著開(kāi)裂和非結(jié)構(gòu)損傷)實(shí)現(xiàn)本質(zhì)上的彈性行為。

?生命安全（LS）：限制結(jié)構(gòu)和非結(jié)構(gòu)部件的損壞，以盡量減少受傷或傷亡的風(fēng)險(xiǎn)，并保持重要的流通路線的可達(dá)性。

?防止倒塌（CP）：通過(guò)限制結(jié)構(gòu)變形和力以顯著強(qiáng)度和剛度退化的開(kāi)始，確保部分或全部建筑物倒塌的小風(fēng)險(xiǎn)。

健全的標(biāo)準(zhǔn)體系會(huì)對(duì)單個(gè)結(jié)構(gòu)構(gòu)件的變形和力要求提供了評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。 其他需求參數(shù)(尤其是樓層位移角和樓層加速度)也是非結(jié)構(gòu)部件損壞和整體建筑性能的重要指標(biāo)。此外，可能還有其他重要的性能限制(如建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)損傷性能) ，這些限制對(duì)生命周期成本和功能有重大影響。

因此確定了非線性分析和設(shè)計(jì)需求的目標(biāo)，下一步就是確定具體的需求參數(shù)和適當(dāng)?shù)南拗禈?biāo)準(zhǔn)，以定量評(píng)估性能水平。需求參數(shù)通常包括結(jié)構(gòu)和非結(jié)構(gòu)部件的峰值力和變形、樓層位移角和樓層加速度等。

其他需求參數(shù)，如累積變形或耗散能量，可以進(jìn)行檢查，以幫助確認(rèn)分析的準(zhǔn)確性或評(píng)估累積損傷效應(yīng)。

與已經(jīng)建立的線性彈性分析和設(shè)計(jì)方法相比，非線性分析需要考慮依賴(lài)于構(gòu)件的非彈性行為和極限狀態(tài)，探究各類(lèi)結(jié)構(gòu)構(gòu)件或減隔震元件的全性態(tài)非線性行為和極限狀態(tài)仍然是目前發(fā)展的趨勢(shì)。

總之，性能設(shè)計(jì)是設(shè)計(jì)方法的革命，將強(qiáng)度控制推進(jìn)到變形控制，將彈性分析推進(jìn)到彈塑性分析，將確定性分析推進(jìn)到非確定性的可靠度分析。