钢筋混凝土框架直接基于损伤性能的能力设计理论及方法的研究
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摘要
本文分析了现行规范抗震设计方法的优缺点及近几年出现的一些新问题，回顾了基于性能抗震设计理论的发展现状，系统的概括了基于位移及基于损伤抗震设计的理论框架，并对这两种抗震设计实施方法进行了分析，认为这两种抗震设计方法虽然比基于力的方法更为合理，但基于位移的设计方法是用静力方法去解决在地震作用下的结构设计问题，不考虑地震持续时间、结构往复弹塑性变形和累积滞回耗能等因素的影响；而基于损伤的设计方法虽考虑累积滞回耗能的影响，但它依然属于传统的设计方法范畴，采用“设计—校核”的设计模式，是在结构设计完成的基础上对其进行校核的方法，损伤指标只起到校核作用。
在此基础上，本文采用直接基于损伤性能的能力设计方法来实现基于性能的设计。针对现有各抗震设计方法存在的问题，通过等效位移考虑地震过程中的滞回耗能影响，同时将损伤指标引入设计过程中，通过用户选用不同的性能目标来实现结构性能控制，从而可以有效的控制结构在地震下的行为，并通过量化的抗震构造措施实现梁、柱的变形能力设计。通过算例进行比较分析，说明了该方法的可行性、准确性及其设计步骤。
In this paper, the merit and fault of methods of seismic design in current code and new problems appearing in recent years are analyzed, the introduction and developments of performance (PBSD) seismic design is reviewed. The formwork of PBSD is founded. It was believed that PBSD is more reasonable than force-based design, but displacement-based design method solve the problem of the process of design by the static method, not considering the influence of duration and hysteretic energy dissipation. Damage performance-based design still belongs to the traditional design method, the damage index is used to checking the structure of the degree of damage after the structure is designed.
On the basis of these analysis, theory and method of direct damage performance-based capacity design is presented in this paper. The influence of the hysteretic energy dissipation is considered by the equivalent displacement in this method and damage index is used in the process of design. According to the different performance objective, the behavior of structure under the earthquake is controlled effectively. Then the deformation capacity of beams and columns is realized by the earthquake resistant constructional measure. Finally, a design examples shows that the design method presented in the paper is feasible.
在此基础上，本文采用直接基于损伤性能的能力设计方法来实现基于性能的设计。针对现有各抗震设计方法存在的问题，通过等效位移考虑地震过程中的滞回耗能影响，同时将损伤指标引入设计过程中，通过用户选用不同的性能目标来实现结构性能控制，从而可以有效的控制结构在地震下的行为，并通过量化的抗震构造措施实现梁、柱的变形能力设计。通过算例进行比较分析，说明了该方法的可行性、准确性及其设计步骤。
In this paper, the merit and fault of methods of seismic design in current code and new problems appearing in recent years are analyzed, the introduction and developments of performance (PBSD) seismic design is reviewed. The formwork of PBSD is founded. It was believed that PBSD is more reasonable than force-based design, but displacement-based design method solve the problem of the process of design by the static method, not considering the influence of duration and hysteretic energy dissipation. Damage performance-based design still belongs to the traditional design method, the damage index is used to checking the structure of the degree of damage after the structure is designed.
On the basis of these analysis, theory and method of direct damage performance-based capacity design is presented in this paper. The influence of the hysteretic energy dissipation is considered by the equivalent displacement in this method and damage index is used in the process of design. According to the different performance objective, the behavior of structure under the earthquake is controlled effectively. Then the deformation capacity of beams and columns is realized by the earthquake resistant constructional measure. Finally, a design examples shows that the design method presented in the paper is feasible.
引文
[1] 龚思礼等．建筑抗震设计．中国建筑工业出版社，1994
[2] 胡聿贤．地震工程学．地震出版社，1988
[3] 王松涛，曹资．现代抗震设计方法．中国建筑工业出版社，1997
[4] 白绍良．对新西兰、欧共体、美国、日本和中国规范钢筋混凝土结构抗震条文的初步对比．重庆建筑大学，2000年
[5] Housner G W. Behaviour of structures during earthquakes. J Eng Mech Div, ASCE, 1959,85(4): 109～129
[6] 小谷俊介．日本基于性能结构抗震设计方法的发展．建筑结构，2000，30(6)
[7] 王亚勇．我国2000年抗震设计模式规范展望．建筑结构，1999，20(6)
[8] 王亚勇．我国2000年工程抗震设计模式规范基本研究问题综述．建筑结构学报，2000，21(1)
[9] 胡庆昌．建筑结构抗震设计与研究．中国建筑工业出版社，1999
[10] M.J.N.Priestley. Performance-Based Seismic Design. 12WCEE, 2000
[11] N.A.Abo-shadi. Performance-Based Design of Confinement Reinforcement in Reinforcement Concrete Bridge Pier Walls for Out-of-Plane Seismic Loads.ACI Structure Journal, 2001, 98(1)
[12] T.B.Panagitakos. A displacement-Based Seismic Design Procedure for R.C. Buildings and Comparison with EC8. Earthquake Engineering and Structural Dynamics, 2001 30:1439-1462
[13] G.M.Calvi and G.R.kingsley. Displacement-Based Seismic Design of Multi-Degree-of-Freedom Bridge Structures. Earthquake Engineering and Structural Dynamics, 1995, 24:1247-1266
[14] M.J.Kowalsky. Displacement-Based Seismic Design of R.C. Bridge Columns in Seismic Regions. Earthquake Engineering and Structural Dynamics, 1995, 24:1623-1643
[15] M.S.Medhekar and D.J.L.Kennedy. Displacement-Based Seismic Design of Buildings-Theory. Engineering Structures, 2000, 22:201-209
[16] M.S.Medhekar and D.J.L.Kennedy. Displacement-Based Seismic Design of Buildings-Application. Engineering Structures, 2000, 22:210-221
[17] 钱稼茹，罗文斌．建筑结构基于位移的抗震设计．建筑结构学报，2001，22(4)
[18] 欧进萍，何政等．钢筋混凝土结构的地震损伤性能设计．地震工程与工程震动，1999，19(1)
[19] 包世华，方鄂华．高层建筑结构抗震设计(新版)．清华大学出版社，2002
[20] 沈聚敏，周锡元等．抗震工程学．中国建筑工业出版社，2000
[21] 成源华，朱君道译．房屋抗震设计．同济大学出版社，1991
[22] 陈富生，邱国华，范重．高层建筑钢结构设计．中国建筑工业出版社
[23] 过镇海．钢筋混凝土原理．清华大学出版社，1999
[24]Park．钢筋混凝土结构
[25]克拉夫著．王光远译．高等结构动力学
[26]程耿东，李刚．基于功能的结构抗震设计中的一些问题的探讨．建筑结构学报，2000，21(1)
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[28]Structral Engineering Association of California (SEAOC). Performance-Based Seismic Engineering of Buildings[R]. April, 1995
[29]Federal Emergency Management Agency(FEMA). Performance-Based Seismic Design of Buildings. FEMA Report 283, September, 1996
[30]周云，安宇，梁兴文．基于性态的抗震设计理论和方法的研究与发展．世界地震工程，2001，17(2)
[31]Williams M. S. and Sexsmith R.G. Seismic Damage Indices for Concrete Structures: A State-of-Art Review. Earthquake Spectra, 1995, 11:319-349
[32]周雍年．关于地震设防水准的考虑．建筑结构学报，2000，21(1)
[33]Masakazu Ozaki，Jatsuga Yzuhata．延性建筑考虑非弹性变形限制基于性能的抗震设计简化方法．建筑结构．Vol．30．No．6．10～13．2000(6)
[34]Peter Fajfar. Capacity Spectrum Method Based on Inelastic Demand Spectra. Earthquake Engng. Struct. Dyn., 1999, 28
[35]何政，欧进萍．钢筋混凝土结构基于改进能力谱法的地震损伤性能设计．地震工程与工程震动， 2000，20(1)
[36]侯钢领，何政等．钢筋混凝土结构的屈服位移Chopra能力谱损伤分析与性能设计．地震工程与工程震动，2001，21(3)
[37]高小旺．地震作用下多层剪切型结构弹塑性反应位移的实用计算．土木工程学报，1984，17(3)
[38]钱稼茹，罗文斌．静力弹塑性分析—基于性能／位移抗震设计方法的分析工具．建筑结构，2000，(6)
[39]叶燎原，潘文．结构静力弹塑性分析(push-over)的计算原理和计算实例．建筑结构学报，2000，(2)
[40]杨溥，李英明等．结构静力弹塑性分析(push-over)方法的改进．建筑结构学报，2000，21(2)
[41]王理等．空间结构非线性静力分析的工程应用．建筑结构学报，2000，21(2)
[42]Vojko Kilar. Simple Push-over Analysis of Asymmetric Buildings[J]. Earthquake Engineering and Structural Dynamics, 1997, 26:233-249
[43]Peter Fajfar. Simple Push-over Analysis of Buildings Structures[R]. 11WCEE, 1996
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[45]叶列平，经杰．论抗震设计方法．现代地震工程进展．地震出版社，2000
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[51] Vidic T., Fajfar P., Fischinger M.. Consistent Inelastic Design Spectrua. Strength and Displacement. Earthquake Engineering & Structural Dynamics, 1996, 23:507-521
[52] 欧进萍，牛荻涛，王光远．多层非线性抗震钢结构的模糊动力分析与设计．地震工程与工程震动，1990，10(4)
[53] 牛荻涛，任利杰．改进的钢筋混凝土结构双参数地震破坏模型．地震工程与工程震动，1996，16(4)
[54] 王振宇，刘晶波．建筑结构地震损伤评估的研究进展．世界地震工程，2001，17(3)
[55] Shibata A, Sozan J M. The substitute structure method for seismic design inreinforced concrete[J]. Journal of Structural Design, 1976, 102:1-18
[56] Ghobarah A, Abou-Elfath H, Biddah A.Response based damage assessment of structures[J]. Earthquake Engng Struct Dyn, 1999, 28:29-104
[57] 刘伯权，刘鸣，白绍良．抗震结构破坏准则的再思考．世界地震工程，1998，14(1)
[58] 史庆轩．钢筋混凝土结构基于性能的抗震研究及破坏评估．博士学位论文，2002
[59] 丰定国，王清敏，钱国芳，苏三庆．工程结构抗震．地震出版社，1994
[60] 范立础，卓卫东．桥梁延性抗震．北京：人民交通出版社，2001
[61] Chandler A M and Mendis P A. Performance of reinforce concrete frames using force and displace based seismic assessment methods[J].Engineering Structures,Vol.22,2000:352-363
[62] Kowalsky M J. RC Structural walls designed according to UBC and displaceent-based methods[J]. Journal of structural Egeering, Vol. 127,No.5,2001:506-516
[63] 田野．钢筋混凝土框架结构直接基于位移的抗震设计理论与方法．硕士学位论文，2003
[64] 罗文斌，钱稼茹．钢筋混凝土框架基于位移的抗震设计．土木工程学报，2003，36(5)
[65] 中华人民共和国国家标准，建筑抗震设计规范(GB50011—2001)．北京：中国建筑工业出版社，1990
[66] 龚思礼．建筑抗震设计手册．中国建筑工业出版社，2002
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[66] 龚思礼．建筑抗震设计手册．中国建筑工业出版社，2002
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