專利名稱：消能減震結(jié)構(gòu)多級(jí)設(shè)防烈度下的性能化抗震設(shè)計(jì)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種土木工程領(lǐng)域中的消能減震結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)方法，尤其涉及一種性能化的抗震設(shè)計(jì)方法。
背景技術(shù)：
消能減震結(jié)構(gòu)是指在結(jié)構(gòu)物某些部位(如支撐、剪力墻、節(jié)點(diǎn)、聯(lián)結(jié)縫或連接件、樓層空間、相鄰建筑間、主附結(jié)構(gòu)間等)設(shè)置消能裝置(阻尼、粘彈性材料、摩擦元件等)，通過其局部變形提供附加阻尼，以耗散或吸收地震輸入結(jié)構(gòu)中的能量，減小主體結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)，達(dá)到預(yù)期防震的目的。近三十年，消能減震結(jié)構(gòu)廣泛迅速地應(yīng)用于工程實(shí)踐。2010年7月20日頒布的《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50011-2010)已擴(kuò)大了消能減震房屋的適用范圍，在中國消能減震設(shè)計(jì)與應(yīng)用會(huì)更加廣泛與深入?；谛阅艿目拐鹪O(shè)計(jì)是國際抗震研究的前沿課題，也是世界各國抗震設(shè)計(jì)規(guī)范的發(fā)展方向，F(xiàn)EMA P695(2009)、FEMA440 (2005)、日本《建筑基準(zhǔn)法》(2003)、Eurocode8(2004)、美國建筑和設(shè)施的性能規(guī)范(2009)、中國抗震規(guī)范(2010)等各國抗震規(guī)范都已開始采用基于性能的抗震設(shè)計(jì)。消能減震結(jié)構(gòu)主要的分析方法包括:能力譜法(Capacity Spectrum Method, CSM)、目標(biāo)位移法(Target Displacement)、需求能力系數(shù)法(Factored-Demand-to-Capacity Ratio, FDCR)、地震性能系數(shù)法(Seismic PerformanceFactors, SPF)等。能力譜法在譜加速度和譜位移坐標(biāo)系下，通過能力曲線與地震需求譜曲線的交點(diǎn)，獲得性能點(diǎn)，確定結(jié)構(gòu)在設(shè)防地震水準(zhǔn)下的位移和塑性鉸分布等，從而評(píng)估結(jié)構(gòu)的抗震能力。目標(biāo)位移法是在設(shè)防地震水準(zhǔn)下，綜合考慮多自由度體系轉(zhuǎn)換為單自由度體系的轉(zhuǎn)換系數(shù)、非彈性位移增大系數(shù)、滯回性能影響系數(shù)、結(jié)構(gòu)的P-Λ效應(yīng)等多重因素，建立了抗震能力和地震需求之間的關(guān)系。需求能力系數(shù)法也是基于設(shè)防地震水平，引入模型不確定性和地震不確定性系數(shù)和分析方法不確定性系數(shù)后，分析抗震能力和地震需求之間的關(guān)系。量化的地震性能系數(shù)法，通過反應(yīng)修訂系數(shù)、超強(qiáng)系數(shù)和變形放大系數(shù)建立了設(shè)防地震下(最大應(yīng)考慮地震烈度)與結(jié)構(gòu)性能的關(guān)系，通過量化的地震性能系數(shù)法，建立和評(píng)估不同結(jié)構(gòu)體系的性能水準(zhǔn)，并計(jì)算倒塌裕度比。但是這些方法都是基于某一級(jí)地震烈度的地震作用下，完成性能抗震設(shè)計(jì)的。中國的抗震評(píng)估技術(shù)，如2010年11月10日公開的中國專利，公開號(hào)為CN101881089A，公開了一種鋼管混凝土建筑物抗震性能評(píng)估方法及應(yīng)用，其提供一種鋼管混凝土建筑物的空間纖維梁的有限元模型，然后采用軟件對(duì)所述有限元模型進(jìn)行計(jì)算，通過獲得的建筑物最大層間位移角，對(duì)鋼管混凝土結(jié)構(gòu)要求的最大層間位移角限值要求評(píng)估建筑物的抗震性能，根據(jù)建筑物抗震性能的評(píng)估結(jié)果設(shè)計(jì)建筑物的抗震措施。但消能減震結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)方法是基于某一級(jí)設(shè)定烈度或地震動(dòng)參數(shù)的條件下進(jìn)行的。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的技術(shù)效果能夠克服上述缺陷，提供一種消能減震結(jié)構(gòu)多級(jí)設(shè)防烈度下的性能化抗震設(shè)計(jì)方法，其一次完成多級(jí)烈度的消能減震結(jié)構(gòu)性能化抗震設(shè)計(jì)。為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案:(I)采用分析方法獲得消能減震結(jié)構(gòu)的底部剪力和位移的函數(shù)關(guān)系，或?qū)⑾軠p震結(jié)構(gòu)的底部剪力和位移的函數(shù)關(guān)系轉(zhuǎn)化成單自由度體系下的底部剪力等效系數(shù)與位移的函數(shù)關(guān)系；(2)根據(jù)規(guī)定的設(shè)防地震烈度水平，按照消能減震結(jié)構(gòu)應(yīng)處的彈塑性狀態(tài)，對(duì)多級(jí)設(shè)防烈度下的地震作用進(jìn)行調(diào)整，獲得調(diào)整后的多級(jí)設(shè)防烈度下的地震作用；(3)在等效的單自由度體系下，消能減震結(jié)構(gòu)多級(jí)設(shè)防烈度下的性能化抗震設(shè)計(jì)步驟如下:1)進(jìn)行最大層間位移角、頂點(diǎn)位移角、譜位移的轉(zhuǎn)換，將等效的單自由度體系下的能力曲線繪制在底部剪力等效系數(shù)和最大層間位移角、頂點(diǎn)位移角、譜位移為坐標(biāo)軸的圖中；2)將調(diào)整后的多級(jí)設(shè)防烈度下的地震作用曲線，按照彈塑性狀態(tài)和相應(yīng)的彈塑性位移，繪制在底部剪力等效系數(shù)和最大層間位移角、頂點(diǎn)位移角、譜位移為坐標(biāo)軸的圖中；3)在等效的單自由度體系下，若等效的單自由度體系下的能力曲線與調(diào)整后的多級(jí)設(shè)防烈度下的地震作用曲線有性能交點(diǎn)，且性能交點(diǎn)對(duì)應(yīng)的位移角滿足規(guī)定的某級(jí)設(shè)防烈度規(guī)定的位移角限制，說明本級(jí)設(shè)防烈度下，位移滿足要求；否則，不滿足位移要求；(4)在整體結(jié)構(gòu)的體系下，消能減震結(jié)構(gòu)多級(jí)設(shè)防烈度下的性能化抗震設(shè)計(jì)步驟如下:1)進(jìn)行最大層間位移角、頂點(diǎn)位移角的轉(zhuǎn)換，將整體結(jié)構(gòu)體系下的能力曲線繪制在底部剪力和最大層間位移角、頂點(diǎn)位移角為坐標(biāo)軸的圖中；2)將調(diào)整后的多級(jí)設(shè)防烈度下的地震作用曲線，轉(zhuǎn)化成整體結(jié)構(gòu)體系下的底部剪力，按照彈塑性狀態(tài)和相應(yīng)的彈塑性位移，繪制在底部剪力等效系數(shù)和最大層間位移角、頂點(diǎn)位移角為坐標(biāo)軸的圖中；3)在整體結(jié)構(gòu)的體系下，若整體結(jié)構(gòu)體系下的能力曲線與調(diào)整后的多級(jí)設(shè)防烈度下的等效底部剪力曲線有性能交點(diǎn)，且性能交點(diǎn)對(duì)應(yīng)的位移角滿足規(guī)定的某級(jí)設(shè)防烈度規(guī)定的位移角限制，說明本級(jí)設(shè)防烈度下，位移滿足要求；否則，不滿足位移要求。分析方法采用靜力推覆分析法，靜力推覆分析法中施加分布的水平荷載，水平荷載單調(diào)增加。分析方法也可以采用增量動(dòng)力分析法，增量動(dòng)力分析法中，逐級(jí)提高地震輸入水平，至消能減震結(jié)構(gòu)達(dá)到破壞狀態(tài)。工程結(jié)構(gòu)包括框架結(jié)構(gòu)、或剪力墻結(jié)構(gòu)、或框架-剪力墻結(jié)構(gòu)、或框支剪力墻結(jié)構(gòu)、或筒中筒結(jié)構(gòu)、或框架-核心筒結(jié)構(gòu)。工程結(jié)構(gòu)包括簡(jiǎn)支板梁橋、或懸臂梁橋、或連續(xù)梁橋、或T形剛架橋、或吊橋、或斜拉橋、或懸索橋、或組合體系橋。工程結(jié)構(gòu)包括電視塔、或儲(chǔ)油罐、或塔架、或倉庫、或水塔、或水池、或煙 、或隧道、或水壩。本發(fā)明一次完成多級(jí)烈度的性能化抗震設(shè)計(jì)，評(píng)估多級(jí)設(shè)防烈度下消能減震結(jié)構(gòu)的抗震性能水平；評(píng)估在國家、地方的法令、規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)程規(guī)定的設(shè)防地震烈度水平下的消能減震結(jié)構(gòu)性能抗震設(shè)計(jì)是否滿足要求；評(píng)估消能減震結(jié)構(gòu)超越設(shè)防烈度的抗震性能裕度；因此，從更深層次實(shí)現(xiàn)了消能減震結(jié)構(gòu)性能化抗震設(shè)計(jì)。一次完成多級(jí)烈度的消能減震結(jié)構(gòu)性能化抗震設(shè)計(jì)，也極大地提高了設(shè)計(jì)的效率。


圖1為本發(fā)明的消能減震結(jié)構(gòu)等效單自由度體系下的能力曲線與多級(jí)設(shè)防烈度地震作用曲線的比較示意圖2為本發(fā)明的消能減震結(jié)構(gòu)整體結(jié)構(gòu)體系下的能力曲線與多級(jí)設(shè)防烈度地震作用曲線的比較示意圖；其中，圖1: Θ -最大層間位移角；Λ-頂點(diǎn)位移角；S_譜位移；e-彈性位移限值或工作應(yīng)力狀態(tài)位移或屈服位移；P-彈塑性位移限值或防止倒塌位移或生命安全位移屈服位移；u-極限位移；1，2，3，4，5，6_位移狀態(tài)底部剪力等效系數(shù)(地震影響系數(shù)或譜加速度)圖2: Θ -最大層間位移角；Λ-頂點(diǎn)位移角；BSF_底部剪力；e_彈性位移限值或工作應(yīng)力狀態(tài)位移或屈服位移；p-彈塑性位移限值或防止倒塌位移或生命安全位移屈服位移；u-極限位移；1，2，3，4，5，6-位移狀態(tài)。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明的方法包括如下步驟:(I)采用分析方法獲得消能減震結(jié)構(gòu)的底部剪力和位移的函數(shù)關(guān)系，或?qū)⑾軠p震結(jié)構(gòu)的底部剪力和位移的函數(shù)關(guān)系轉(zhuǎn)化成單自由度體系下的底部剪力等效系數(shù)與位移的函數(shù)關(guān)系；(2)根據(jù)國家、地方的法令、規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)程規(guī)定的設(shè)防地震烈度水平，按照消能減震結(jié)構(gòu)應(yīng)處的彈塑性狀態(tài)，對(duì)多級(jí)設(shè)防烈度下的地震作用進(jìn)行調(diào)整，獲得調(diào)整后的多級(jí)設(shè)防烈度下的地震作用；(3)在等效的單自由度體系下，消能減震結(jié)構(gòu)多級(jí)設(shè)防烈度下的性能化抗震設(shè)計(jì)步驟如下:1)進(jìn)行最大層間位移角、頂點(diǎn)位移角、譜位移(等效的單自由度體系位移)的轉(zhuǎn)換，將等效的單自由度體系下的能力曲線繪制在底部剪力等效系數(shù)和最大層間位移角、頂點(diǎn)位移角、譜位移為坐標(biāo)軸的圖中；2)將調(diào)整后的多級(jí)設(shè)防烈度下的地震作用曲線，按照彈塑性狀態(tài)和相應(yīng)的彈塑性位移，繪制在底部剪力等效系數(shù)和最大層間位移角、頂點(diǎn)位移角、譜位移為坐標(biāo)軸的圖中；3)在等效的單自由度體系下，若等效的單自由度體系下的能力曲線與調(diào)整后的多級(jí)設(shè)防烈度下的地震作用曲線有性能交點(diǎn)，且性能交點(diǎn)對(duì)應(yīng)的位移角滿足法令、規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)程規(guī)定的某級(jí)設(shè)防烈度規(guī)定的位移角限制，說明本級(jí)設(shè)防烈度下，位移滿足要求；否則，不滿足法令、規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)程的位移要求；(4)在整體結(jié)構(gòu)的體系下，消能減震結(jié)構(gòu)多級(jí)設(shè)防烈度下的性能化抗震設(shè)計(jì)步驟如下:1)進(jìn)行最大層間位移角、頂點(diǎn)位移角的轉(zhuǎn)換，將整體結(jié)構(gòu)體系下的能力曲線繪制在底部剪力和最大層間位移角、頂點(diǎn)位移角為坐標(biāo)軸的圖中；2)將調(diào)整后的多級(jí)設(shè)防烈度下的地震作用曲線，轉(zhuǎn)化成整體結(jié)構(gòu)體系下的底部剪力，按照彈塑性狀態(tài)和相應(yīng)的彈塑性位移，繪制在底部剪力等效系數(shù)和最大層間位移角、頂點(diǎn)位移角為坐標(biāo)軸的圖中；3)在整體結(jié)構(gòu)的體系下，若整體結(jié)構(gòu)體系下的能力曲線與調(diào)整后的多級(jí)設(shè)防烈度下的等效底部剪力曲線有性能交點(diǎn)，且性能交點(diǎn)對(duì)應(yīng)的位移角滿足法令、規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)程規(guī)定的某級(jí)設(shè)防烈度規(guī)定的位移角限制，說明本級(jí)設(shè)防烈度下，位移滿足要求；否則，不滿足法令、規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)程的位移要求。1、采用分析方法獲得消能減震結(jié)構(gòu)的底部剪力和位移的函數(shù)關(guān)系，或?qū)⑾軠p震結(jié)構(gòu)的底部剪力和位移的函數(shù)關(guān)系轉(zhuǎn)化成單自由度體系下的底部剪力等效系數(shù)與位移的函數(shù)關(guān)系，具體步驟如下:
(I)采用PUSHOVER靜力推覆法或IDA增量動(dòng)力分析法，建立底部剪力和頂點(diǎn)位移角、層間最大位移角的關(guān)系，函數(shù)關(guān)系可表達(dá)為
權(quán)利要求
1.一種消能減震結(jié)構(gòu)多級(jí)設(shè)防烈度下的性能化抗震設(shè)計(jì)方法，其特征在于，包括如下步驟: (1)采用分析方法獲得消能減震結(jié)構(gòu)的底部剪力和位移的函數(shù)關(guān)系，或?qū)⑾軠p震結(jié)構(gòu)的底部剪力和位移的函數(shù)關(guān)系轉(zhuǎn)化成單自由度體系下的底部剪力等效系數(shù)與位移的函數(shù)關(guān)系； (2)根據(jù)規(guī)定的設(shè)防地震烈度水平，按照消能減震結(jié)構(gòu)應(yīng)處的彈塑性狀態(tài)和消能減震結(jié)構(gòu)的附加阻尼比，對(duì)多級(jí)設(shè)防烈度下的地震作用進(jìn)行調(diào)整，獲得調(diào)整后的多級(jí)設(shè)防烈度下的地震作用； (3)在等效的單自由度體系下，消能減震結(jié)構(gòu)多級(jí)設(shè)防烈度下的性能化抗震設(shè)計(jì)步驟如下:1)進(jìn)行最大層間位移角、頂點(diǎn)位移角、譜位移的轉(zhuǎn)換，將等效的單自由度體系下的能力曲線繪制在底部剪力等效系數(shù)和最大層間位移角、頂點(diǎn)位移角、譜位移為坐標(biāo)軸的圖中；2)將調(diào)整后的多級(jí)設(shè)防烈度下的地震作用曲線，按照彈塑性狀態(tài)和相應(yīng)的彈塑性位移，繪制在底部剪力等效系數(shù)和最大層間位移角、頂點(diǎn)位移角、譜位移為坐標(biāo)軸的圖中；3)在等效的單自由度體系下，若等效的單自由度體系下的能力曲線與調(diào)整后的多級(jí)設(shè)防烈度下的地震作用曲線 有性能交點(diǎn)，且性能交點(diǎn)對(duì)應(yīng)的位移角滿足規(guī)定的某級(jí)設(shè)防烈度規(guī)定的位移角限制，說明本級(jí)設(shè)防烈度下，位移滿足要求；否則，不滿足位移要求； (4)在整體結(jié)構(gòu)的體系下，消能減震結(jié)構(gòu)多級(jí)設(shè)防烈度下的性能化抗震設(shè)計(jì)步驟如下:I)進(jìn)行最大層間位移角、頂點(diǎn)位移角的轉(zhuǎn)換，將整體結(jié)構(gòu)體系下的能力曲線繪制在底部剪力和最大層間位移角、頂點(diǎn)位移角為坐標(biāo)軸的圖中；2)將調(diào)整后的多級(jí)設(shè)防烈度下的地震作用曲線，轉(zhuǎn)化成整體結(jié)構(gòu)體系下的底部剪力，按照彈塑性狀態(tài)和相應(yīng)的彈塑性位移，繪制在底部剪力等效系數(shù)和最大層間位移角、頂點(diǎn)位移角為坐標(biāo)軸的圖中；3)在整體結(jié)構(gòu)的體系下，若整體結(jié)構(gòu)體系下的能力曲線與調(diào)整后的多級(jí)設(shè)防烈度下的等效底部剪力曲線有性能交點(diǎn)，且性能交點(diǎn)對(duì)應(yīng)的位移角滿足規(guī)定的某級(jí)設(shè)防烈度規(guī)定的位移角限制，說明本級(jí)設(shè)防烈度下，位移滿足要求；否則，不滿足位移要求。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的消能減震結(jié)構(gòu)多級(jí)設(shè)防烈度下的性能化抗震設(shè)計(jì)方法，其特征在于，消能減震結(jié)構(gòu)采用的消能器包括變阻尼型、變阻尼-剛度型兩種，變阻尼型消能器采用黏滯消能器，變阻尼-剛度型消能器采用金屬屈服消能器、摩擦消能器和黏彈性消能器。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的消能減震結(jié)構(gòu)多級(jí)設(shè)防烈度下的性能化抗震設(shè)計(jì)方法，其特征在于，步驟(I)中的分析方法采用靜力推覆分析法。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的消能減震結(jié)構(gòu)多級(jí)設(shè)防烈度下的性能化抗震設(shè)計(jì)方法，其特征在于，靜力推覆分析法中施加分布的水平荷載，水平荷載單調(diào)增加。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的消能減震結(jié)構(gòu)多級(jí)設(shè)防烈度下的性能化抗震設(shè)計(jì)方法，其特征在于，步驟(I)中的分析方法采用增量動(dòng)力分析法。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的消能減震結(jié)構(gòu)多級(jí)設(shè)防烈度下的性能化抗震設(shè)計(jì)方法，其特征在于，增量動(dòng)力分析法中，逐級(jí)提高地震輸入水平使結(jié)構(gòu)構(gòu)件逐步屈服。
7.根據(jù)權(quán)利要求4或6所述的消能減震結(jié)構(gòu)多級(jí)設(shè)防烈度下的性能化抗震設(shè)計(jì)方法，其特征在于，工程結(jié)構(gòu)包括框架結(jié)構(gòu)、或剪力墻結(jié)構(gòu)、或框架-剪力墻結(jié)構(gòu)、或框支剪力墻結(jié)構(gòu)、或筒中筒結(jié)構(gòu)、或框架-核心筒結(jié)構(gòu)。
8.根據(jù)權(quán)利要求4或6所述的消能減震結(jié)構(gòu)多級(jí)設(shè)防烈度下的性能化抗震設(shè)計(jì)方法，其特征在于，工程結(jié)構(gòu)包括簡(jiǎn)支板梁橋、或懸臂梁橋、或連續(xù)梁橋、或T形剛架橋、或吊橋、或斜拉橋、或懸索橋、或組合體系橋。
9.根據(jù)權(quán)利要求4或6所述的消能減震結(jié)構(gòu)多級(jí)設(shè)防烈度下的性能化抗震設(shè)計(jì)方法，其特征在于，工程結(jié)構(gòu)包括電視塔、或儲(chǔ)油罐、或塔架、或倉庫、或水塔、或水池、或煙囪、或隧 道、或水壩。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種土木工程領(lǐng)域中的抗震設(shè)計(jì)方法。本發(fā)明的消能減震結(jié)構(gòu)多級(jí)設(shè)防烈度下的性能化抗震設(shè)計(jì)方法，包括如下步驟(1)采用分析方法獲得消能減震結(jié)構(gòu)的底部剪力和位移的函數(shù)關(guān)系；(2)根據(jù)規(guī)定的設(shè)防地震烈度水平，按照消能減震結(jié)構(gòu)應(yīng)處的彈塑性狀態(tài)和消能減震結(jié)構(gòu)的附加阻尼比，對(duì)多級(jí)設(shè)防烈度下的地震作用進(jìn)行調(diào)整，獲得調(diào)整后的多級(jí)設(shè)防烈度下的地震作用；(3)在等效的單自由度體系下，消能減震結(jié)構(gòu)多級(jí)設(shè)防烈度下的性能化抗震設(shè)計(jì)；(4)在整體結(jié)構(gòu)的體系下，消能減震結(jié)構(gòu)多級(jí)設(shè)防烈度下的性能化抗震設(shè)計(jì)。本發(fā)明一次評(píng)估多級(jí)設(shè)防烈度下消能減震結(jié)構(gòu)的抗震性能水平。
文檔編號(hào)E04H9/02GK103161347SQ20111041919
公開日2013年6月19日 申請(qǐng)日期2011年12月15日 優(yōu)先權(quán)日2011年12月15日
發(fā)明者劉文鋒 申請(qǐng)人:青島理工大學(xué)