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1、结构抗震损伤机制控制与设计方法,叶列平 曲 哲,清华大学土木工程系,土木工程安全与可持续发展高层论坛2010年9月18日20日 中国 大连,引 言,引言,基于经济的考虑，强震下容许结构损伤，但不倒塌地震作用下结构的力学过程：变形 力 能量,构件设计阶段:弹性设计体系设计阶段:损伤机制控制设计,屈服,倒塌,引言,地震输入能量是一个稳定的量：结构质量和周期弹性阶段：阻尼耗能弹塑性阶段：损伤部位的塑性变形耗能结构损伤部位：损伤机制损伤机制控制：损伤部位控制+损伤程度控制目标：耗散地震输入能量，损伤程度适度,基于经济的考虑，强震下容许结构损伤，但不倒塌地震作用下结构的力学过程：变形 力 能量,引言,提
2、纲损伤机制控制的意义损伤部位控制及发展损伤控制的设计,损伤机制控制的意义,损伤机制控制的意义,明确结构在有损阶段的抗震性能明确结构体系的极限状态减小结构地震反应的离散性通过功能分化提高抗震性能结构体系层次的创新与发展提高实用结构地震损伤分析方法的精度,损伤机制控制的意义,减小结构地震反应的离散性,损伤机制控制的发展,损伤机制控制的发展,地震具有使损伤集中于结构的某些薄弱部位的特性损伤部位控制：合理设置结构的薄弱部位“整体型”和“集中型”“整体型”：将损伤尽可能均匀地分布在结构中“集中型”：在结构的某些部位集中耗散地震能量,框架结构,损伤部位控制地震具有使损伤集中于结构的某些薄弱部位的特性损伤部
3、位控制：合理设置结构的薄弱部位“整体型”和“集中型”,Villaverde(1991),框架结构,损伤部位控制地震具有使损伤集中于结构的某些薄弱部位的特性损伤部位控制：合理设置结构的薄弱部位“整体型”和“集中型”,框架结构,损伤部位控制地震具有使损伤集中于结构的某些薄弱部位的特性损伤部位控制：合理设置结构的薄弱部位“整体型”和“集中型”,玉树县第三完小新教学楼,平武县南坝镇卫生院,映秀镇漩口中学教学楼,框架结构,损伤部位控制地震具有使损伤集中于结构的某些薄弱部位的特性损伤部位控制：合理设置结构的薄弱部位“整体型”和“集中型”,神户地震（1995）,框架结构,损伤部位控制地震具有使损伤集中于结构
4、的某些薄弱部位的特性损伤部位控制：合理设置结构的薄弱部位“整体型”和“集中型”,由于框架结构体系固有的变形模式不易控制的特点，框架结构实现整体型强柱弱梁屈服机制的努力很难实现，只能在一定程度上减缓柱端的屈服,剪力墙体系,1972年尼加拉瓜马那瓜地震中的美洲银行,仅在连梁处发生比较严重的结构损伤,钢筋混凝土核心筒的四个L形井筒连梁因管道孔洞削弱，连梁发生脆性剪切破坏，剪力墙没有明显损伤。Mahin等分析研究表明，如果连梁发生延性损伤，则还可以有效降低结构的地震响应。Mahin等建议联肢剪力墙体系的损伤机制为：连梁逐步屈服剪力墙底部破坏。,剪力墙体系,1972年尼加拉瓜马那瓜地震中的美洲银行,仅在
5、连梁处发生比较严重的结构损伤,双连梁,小剪跨比连梁剪切破坏,剪力墙体系,剪力墙体系,连梁跨高比3.3,连梁跨高比2.0,剪力墙体系,1972年尼加拉瓜马那瓜地震中的美洲银行,框架结构、剪力墙结构或框剪结构，都是在“结构构件”中设置预期损伤部位。这些构件具有双重功能：结构受力+损伤耗能；两者往往难以统一。随着抗震结构体系的不断发展，逐渐出现了专门用于提高结构抗震性能的预设损伤构件，从而形成各种新的抗震结构体系。支撑框架体系、隔震体系和摇摆体系是其中的典型代表。,支撑体系,壁谷澤 寿海 等(2008),摇摆体系,摇摆体系,东京工业大学G3教学楼建于1979年11层钢骨混凝土框架结构,经抗震鉴定，需
6、要立即加固,摇摆体系,不同结构体系的预期损伤机制控制,梁端、底层柱脚,连梁,支撑,摇摆界面,隔震层,损伤前对结构整体的抗侧刚度有较大的贡献损伤后对结构的竖向承载力影响不大,结构体系内不同构件的功能分化有助于提高抗震性能,抗震损伤机制控制的基本原则：控制结构的损伤变形机制合理确定预期损伤部位,FEMA P-750/2009抗震损伤机制控制,损伤机制控制的设计,抗震损伤机制控制的三个层次,体系设计合理的预期损伤机制预期损伤部位,需求分析构件的抗震能力需求承载力需求变形能力需求耗能需求,构件设计保证构件的抗震能力大于其需求,抗震分析与设计方法,静力线弹性分析 线弹性反应谱分析 静力弹塑性分析（MPA
7、）整体结构弹塑性时程分析 等代结构分析法,抗震分析与设计方法,静力线弹性分析 线弹性反应谱分析 静力弹塑性分析（MPA）整体结构弹塑性时程分析 等代结构分析法,抗震分析与设计方法,静力线弹性分析 线弹性反应谱分析 静力弹塑性分析（MPA）整体结构弹塑性时程分析 等代结构分析法,非损伤部位弹性损伤部位弹塑性,抗震分析与设计方法,静力线弹性分析 线弹性反应谱分析 静力弹塑性分析（MPA）整体结构弹塑性时程分析 等代结构分析法,抗震分析与设计方法,静力线弹性分析 线弹性反应谱分析 静力弹塑性分析（MPA）整体结构弹塑性时程分析 等代结构分析法,损伤部位=刚度折减+等价阻尼基于弹性反应谱计算,抗震分析
8、与设计方法,静力线弹性分析 线弹性反应谱分析 静力弹塑性分析（MPA）整体结构弹塑性时程分析 等代结构分析法,基于弹性反应谱计算适用于复杂结构理论上可随意预设损伤控制机制可获得损伤和非损伤部位的承载力和变形需求,等代结构法,研究基础：单自由度等价线性化模型,等待结构法,单自由度等价线性化模型,割线刚度模型,非割线刚度模型,单自由度等价线性化模型,割线刚度模型,非割线刚度模型,高估等价刚度低估等价阻尼比,低估等价刚度高估等价阻尼比,两类方法在位移响应预测精度方面表现相当,高估结构的内力,高估结构的内力,单自由度等价线性化模型,单自由度等价线性化模型,等价阻尼比的统计分析,典型滞回模型,弹塑性模型
9、(EP),峰值指向型(PO),滑移型(SL),原点指向型(OO),地震记录：EQ-218中的436条水平地震记录延性系数m：2.0，4.0，6.0，8.0屈服后刚度系数a：0.00，0.02，0.05，0.10自振周期T：0.16.0s,建议模型,通过对分析结果进行回归分析，得到b0.1，b1，b6随滞回模型、延性系数m和屈服后刚度系数a的变化规律及相应的表达公式,模型比较 相对误差平均值,Iwan,Kowalsky,Kwan,建议模型,割线刚度模型,模型比较 相对误差的标准差,Iwan,Kowalsky,Kwan,本文模型,割线刚度模型,等代结构法-计算流程,已知的结构,预设损伤机制,反应谱
10、分析,SDOF等价线性化模型 能量加权平均的模态阻尼比,假定预期损伤部位的曲率延性,等代结构法-误差分析,误差1,误差2,误差3,最大层间位移角的相对误差,算例1：底层刚度低第一振型占主导,等代结构法-误差分析,误差1,误差2,误差3,最大层间位移角的相对误差,算例2：层刚度沿高度减小，高阶振型贡献大,等代结构法-误差分析,算例1：底层刚度低第一振型占主导,算例2：层刚度沿高度逐渐减小，高阶振型贡献大一些,等代结构法-误差分析,算例1：底层刚度低第一振型占主导,未损伤或轻微损伤的24层，误差较大，偏于不安全,损伤分布比较均匀的结构，误差相近、且较小,算例2：层刚度沿高度逐渐减小，高阶振型贡献大
11、一些,等代结构法-误差分析,楼层最大水平位移(m),最大层间位移角,等代结构法应用 G3教学楼（混凝土框架结构）,加固前最大位移,弹塑性时程,等代结构法,弹性分析,等代结构法应用 扭转不规则的钢框架结构,T1=2.50sT2=2.17s,振型的平动分量,振型的扭转分量,5x9140,5x9140,5490,3650,8x3960,偏心距：4170mm,EQ-22 PGV=100cm/s,7500 x5,18000,4500,4000,6x3500,EQ-10-X,EQ-10-Y,T1=1.19s 纵向平动T2=1.04s 横向平动T3=0.95s 扭转,等代结构法应用 钢筋混凝土框架双向地震输
12、入,等代结构法应用 BRB支撑框架结构,等代结构法应用 不规则结构,等代结构法的优缺点,为近似方法要求结构的损伤机制得到较好控制,采用振型分解反应谱法与侧力模式无关适用于不规则、非对称结构,以反应谱作为地震输入计算工作量小不需挑选地震波,优点,缺点,与动力弹塑性分析相比,与静力弹塑性分析相比,不适于结构损伤不稳定发展的倒塌阶段的分析,基于损伤机制控制的抗震设计,基于损伤机制控制的抗震设计,不满足,设定预期损伤机制,小震线弹性设计,大震承载力设计,满足,抗震性能校核,等代结构法,等代结构法,大震变形验算,预期损伤部位取承载力下限值,大震承载力设计,预期损伤部位取承载力上限值,设计例 I 1.设定
13、预期损伤机制,7500 x5,18000,4500,4000,6x3500,纵向输入,横向输入,斜向输入,VIII度设防，二类场地二级抗震采用我国规范的设计反应谱考虑两个主轴方向和一个斜向的地震作用,周期(s),地震影响系数,amax=0.9,Tg=0.35,设计反应谱,阻尼比,2%3%5%8%13%20%30%,设计例 I 2.小震线弹性设计,按照现有基于小震弹性响应的抗震设计方法对预期损伤部位进行承载力设计,抗震设计规范,性态设计通则,设计例 I 3.大震变形验算,规范限值1/50,0,0,规范限值1/50,底层柱脚曲率延性,对预期损伤部位进行变形能力设计,设计例 I 4.大震承载力设计,
14、斜向地震作用下柱承载力需求,柱纵筋配筋结果,按照荷载标准组合计算非预期损伤部位的承载力需求，按材料标准值进行承载力设计,设计例 I 抗震性能检验,EQ-10 双向输入,与原设计相比，纵筋增加了约20%最大位移与层间位移基本相同框架柱进入塑性的程度有所降低框架梁进入塑性的程度有所提高,设计例 I 抗震性能检验,在保证基本构造要求的前提下，进一步增加配筋并不能有效改善框架结构的抗震性能变形模式的离散性没有明显改善层间变形集中的程度没有明显减轻,归一化层间位移角,层间位移集中系数,摇摆墙-框架体系,2010年智利地震中某剪力墙破坏（EERI,2010）,纯框架,剪力墙,摇摆墙的刚度需求,EQ-22地震动记录,摇摆墙刚度系数MacRae et al(2004),层间位移集中系数MacRae et al(2004),抗规底部剪力法,摇摆墙的刚度需求,9层,6层,3层,刚度系数a,DCF,摇摆墙-框架体系的受力特征,F1,F2,F3,F4,F5,F6,F7,F8,使结构变形沿高度方向更加均匀，提高结构变形能力,摇摆墙内的最大剪力与最大弯矩出现在不同部位，改善墙体受力状态，更易于设计,摇摆墙-框架结构的工程实例,东京工业大学G3教学楼建于1979年11层钢骨混凝土框架结构,经抗震鉴定，需要立即加固,
