基于性能的抗震設計

0性能與結構的耦合抗災設計的基本目標是確保安全。然而，在過去的10年里，發生的地震表明，基于以安全為基本目標的抗洪設計理論設計建造的建筑物在地震中沒有倒塌，這基本保證了安全，但造成的經濟損失極其巨大，表明單一的安全目標遠遠不夠。因此,20世紀90年代初美國學者首先提出了基于性能(performance-based)的抗震設計理論,這是工程抗震發展史上的一個重要里程碑,代表了抗震設計的發展方向,其特點包括:使抗震設計從宏觀定性的目標向具體量化的多重目標過渡,業主和設計者可選擇所需的性能目標;抗震設計中更強調實施性能目標的深入分析和論證,更有利于建筑結構的創新,經過論證(包括試驗)可以采用非現行規范規定的新的結構體系、新技術、新材料;有利于針對不同抗震設防要求、場地條件以及建筑的重要性,采用不同的性能目標和抗震措施。“投資-效益”準則和建筑結構目標性能的“個性化”是基于性能的抗震設計的重要思想。大跨度空間結構是近30年發展最快的一種結構形式,被廣泛用于體育場館、車站及航站樓等交通樞紐和會展中心等大型公共建筑中,目前,大跨度空間結構工程已經在我國形成持續的建設高潮。大跨度空間結構建設費用和震后修復費用相對較高,結構整個服役期的經濟指標成為設計的一個關鍵因素;作為公共建筑,大跨度空間結構往往成為地震發生時的避難場所,其社會功能也尤為重要。因此,以經濟學、社會學和工程學為理論基礎的基于性能抗震設計思想對于大跨度空間結構具有良好的適用性。然而,由于空間結構地震反應分析和破壞倒塌機理復雜,結構性能難以掌握,目前基于性能的空間結構抗震設計還處于初步的理論探索階段,遠未形成具體有效的設計方法。本文以基于性能的結構抗震設計研究內容及發展趨勢為背景,結合空間結構自身特點,對基于性能的空間結構抗震設計的國內外研究現狀進行了總結分析,并提出了今后要解決的關鍵問題。1結構抗震設計方法基于性能的抗震設計研究主要包含以下四部分內容:地震危險性分析、結構反應性能參數確定、結構抗震性能水平劃分及性能目標確定、基于性能的抗震設計方法。1.1地震動參數選取地震危險性分析是聯系地震學和地震工程學的重要紐帶,作為基于性能的抗震設計研究內容的首要部分,其研究成果對于基于性能的抗震設計研究進展有重要影響。地震危險性分析主要有兩種方法:即確定性地震危險性分析方法和概率地震危險性分析方法。確定性分析方法是地震危險性分析早期發展階段的主要方法,該方法認為地震動參數是確定性的數值,包含的主觀判斷因素較多。概率地震危險性分析方法由Cornell于1968年提出,此后該方法得以廣泛研究和應用,其分析成果可以用地震動危險性曲線表示,該曲線是指工程場地未來遭受的地震動參數在一定時期內的超越概率與地震動參數的函數關系曲線,常用的地震動參數有地震烈度、峰值地面運動加速度PGA(peakgroundacceleration)、速度和反應譜。文獻介紹了概率地震危險性分析方法的初期發展歷史,文獻對地震危險性分析方法進行了總結回顧。對于不同結構形式,不同地震動參數在估計結構反應時存在較大差異,因此選取合適的地震動參數是地震危險性分析的關鍵問題之一,其選取原則為估計結構反應時的有效性和充分性。有效性可以用某個地震動參數下結構反應參數的離散程度來評價,地震動參數的有效性越高,在估計結構的反應時便可以用相對較少的結構計算分析次數得到較大置信度的結果;充分性則可以用其它地震動參數對結構反應離散程度的影響大小來評價,某個地震動參數的充分性越好,則該地震動參數以外的其它參數對結構反應離散程度的影響越小。在估計結構反應方面,完全有效且充分的地震動參數是不存在的,但確定相對有效和充分的地震動參數是完全可行的。已有研究結果表明,對于一階振型主導的結構,結構一階周期處的譜加速度Sa(T1)在估計結構反應方面比其它參數更加有效且充分。但對于非一階振型主導,且頻譜分布密集、各振型耦合作用明顯的空間結構來說,Sa(T1)可能不如其它地震動參數(例如PGA)有效、充分。到目前為止,對于空間結構的地震反應分析,PGA是應用最為廣泛的地震動參數,但是否存在更加有效、充分的地震動參數值得進一步研究。Taniguchi等指出在估計雙層柱面網殼的倒塌時地震輸入能量比PGA更加有效;另外,由多個地震動參數組成的向量式參數應更適合空間結構,Cornell課題組對向量式地震動參數在普通多高層鋼筋混凝土結構中的應用進行了大量研究[15,23,24,25,26,27,28],結果表明向量式地震動參數在估計地震反應時更為準確,且有效性大為提高,但向量式地震動參數在空間結構中的應用還未見報道。1.2基于時程分析方法的非線性分析在基于性能抗震設計中,為求得在不同強度地震作用下結構的反應性能指標(變形或者其它破壞指標),需要采用合理的結構模型、恰當的分析方法進行結構地震反應分析。由于基于性能的抗震設計應考慮不同強度地震作用下結構的性能,故不僅需要對結構進行小震作用下的彈性分析,更重要的是對結構進行在強震作用下從開始屈服直至倒塌的全過程非線性受力分析。大跨度空間結構的彈性地震反應分析方法已經比較成熟。作為大跨度空間結構的核心問題和前沿研究熱點,其強震災變機理的研究已經取得了一定進展。大跨度空間結構抗震分析方法主要有振型分解法、隨機振動法、時程分析法以及Pushover等簡化分析方法。在強震作用下,需要對結構進行考慮材料和幾何雙重非線性的受力分析,時程分析法是目前比較成熟且廣泛應用的方法。基于時程分析法,國內外學者利用基于反應的分析方法對空間網格結構的強震全過程進行了大量的分析研究[19,20,21,31,32,33,34,35,36,37],該方法通過特征反應(例如最大節點位移等)的荷載域全程曲線來了解結構的動力性狀隨動力荷載幅值逐漸增大而不斷變化直至倒塌的全過程。已有研究結果表明[19,20,21,31,32,33,34,36,37],單層和雙層網格結構隨著動力荷載幅值(PGA)的不斷增大,網格結構最后都會發生倒塌破壞,其中單層網殼的破壞形式分為動力失穩和強度破壞兩種類型。在現有研究的基礎上,沈世釗對于單層網殼的動力失穩和強度破壞的倒塌機理以及每種破壞形式的判別準則進行了總結分析,并對兩種失效形式進行了區分判別。盡管目前可以通過非線性時程分析得到結構在某條特定地震波下的反應,但在基于性能的抗震設計中,合理有效地考慮地震動以及結構非線性反應的不確定性是關鍵問題之一,因此,國內外許多學者提出,正確合理的途徑應從概率角度出發,以考慮上述不確定性。其中,由Vamvatsikos等提出的增量動力分析(incrementaldynamicanalysis,簡稱IDA)方法是最具發展前景的方法之一,該方法的本質是將單一地震波的時程分析擴展為多條地震波的時程分析,得到多條地震波下的結構反應,進而從概率角度研究結構的反應性能參數并評估結構的抗震性能。在空間結構應用方面,文獻利用IDA方法對某單層球面網殼的倒塌性能進行了評估,計算了該網殼在任意PGA下的倒塌概率,然后結合地震危險性曲線,得到了該網殼的年平均倒塌概率;Kato等對某門式鋼架體育館和包含下部支撐的某單層球面網殼進行了多條地震波下的非線性時程分析,分別研究了上下部結構、結構和非結構構件的易損性,從概率角度評估了結構的抗震性能,其本質上也是IDA方法。可見,國內外學者在單層網殼強震作用下的反應分析和破壞倒塌機理研究方面取得了一定的成果,大部分為確定性分析,也有少量的從概率角度的初步探索,對于其它形式空間結構的強震災變行為研究還比較少。1.3性能目標的確定作為基于性能抗震設計的核心概念之一,性能水平是指建筑物整體的破壞狀態,性能目標是指在一定超越概率的地震發生時,結構的最大破壞程度。結構性能水平可以由結構的反應參數或者某些自定義的破壞指標來劃分;在基于性能的結構抗震設計中,確定適合的性能目標是結構設計的基礎與核心內容之一。對于多高層建筑結構,變形可以有效地反映結構破壞情況,因此基于位移來劃分結構性能水平進而確定性能目標的方法在多高層結構中得到了廣泛應用。而對于結構形態復雜多樣、空間工作效應明顯、地震破壞機理復雜的空間結構,結構抗震性能水平的劃分及性能目標的確定要比多高層結構復雜得多。考慮空間結構本身的特性,僅僅基于位移劃分空間結構性能水平、確定性能目標顯然不合理,還需要考慮其它反應參數(例如能量、桿件塑性發展程度等)的影響,因此,一些學者試圖以自定義綜合式標量指標或向量式指標來劃分空間結構的性能水平:在自定義綜合式標量指標方面,支旭東等對于單層柱面和球面網殼結構在強震作用下的反應進行了分析,提出了一個自定義綜合式標量指標,即結構損傷因子來評估單層網殼的損傷程度,并將該指標表達為結構平均塑性應變、最大節點位移、桿件塑性程度等自變量的函數;為了有效評估鋼筋混凝土結構的破壞狀態,Park等提出了一個變形和能量線性組合的自定義綜合式標量指標,以反應極值變形和累積變形能對結構破壞狀態的影響,杜文風利用該指標劃分單層球面網殼的性能水平,并指出對初始配置均勻的單層球面網殼,該指標同最大位移反應、塑性桿件比例的劃分效果具有較好的一致性;在向量式指標方面,Kato和Nakazawa對于包含上部單層球面網殼和下部支撐在內的某整體結構進行了地震反應分析,以結構最大位移和最大加速度為具體性能量化參數,分別界定了上部網殼中的結構構件和非結構構件(屋面板)在地震作用下的性能水平,以柱間防屈曲支撐的累積塑性變形和最大層位移角為參數分別劃分了下部結構中的結構構件和非結構構件的性能水平,并以此為基礎進一步假定對應于不同性能水平的功能損失比例,對整體結構進行了地震損失評估,并且特別指出,性能水平的劃分準則是事先假定的,對此有必要進行深入研究以得出更為合理的劃分準則。在空間結構抗震性能水平的劃分方面目前已經有一定的初步探索,但目前研究僅僅局限在單層網殼一種結構形式。對于所有類型的建筑結構,性能目標確定應依據建筑物在各種水平地震作用下社會和業主的安全、經濟、文化及歷史等因素的需求而定。性能目標應該是具體的、量化的,確保設計能夠達到預定水平。目前在各國基于性能抗震設計相關的規程或通則中,一般根據設防地震水平和建筑物的重要性等級來確定其最低性能目標,例如美國加州工程師協會SEAOC制定的Vision2000和我國的CECS160—2004《建筑工程抗震性態設計通則(試用)》,但其中對性能目標僅有定性描述,并無定量指標。Tatemichi等研究指出,由于空間結構形態各異、力學特點差異很大,應該結合相關技術規程、報告以及震害調查數據對每個空間結構分別確定其性能目標的具體量化數值。1.4結構體系能耗設計的優化方法目前,基于性能的抗震設計還遠沒有形成一致的設計方法,基于性能的抗震設計方法主要有基于位移的設計法、能量設計法及綜合設計法[50,51,52,53,54,55,56]等。基于位移的抗震設計法以結構位移作為結構性能指標,由于空間結構的性能水平不適合由單一的位移指標來界定,因此目前的基于位移的設計法并不適合于空間結構。能量設計法是通過控制結構或構件的耗能能力,達到控制整個結構抗震性能的目的。其優點在于能夠直接估計結構的潛在破壞程度,對結構的滯回特性及結構非線性要求概念清楚。但是,由于結構體系的復雜性,結構滯回耗能的計算很大程度上依賴于構件單元恢復力模型的選取,計算比較繁瑣,且具有一定的誤差,若將能量設計法應用于基于性能的空間結構抗震設計,需要在材料本構精細化建模等方面加大研究力度以提高空間結構地震反應分析的精度,進而使結構耗能的計算更加精確。綜合設計法本質上是優化設計方法,其基本原理是基于“投資-效益”準則,在滿足既定性能目標的前提下,使結構壽命周期總費用最小,結構壽命周期總費用一般可表述為:Ctot=Cb+Cm+∑PfCf(1)式中:Cb、Cm、Cf分別為結構初始造價、維護和拆除的預期費用、失效費用;Pf為壽命周期的失效概率。綜合設計法全面考慮了抗震設計中的重要因素,最大程度地體現了基于性能的抗震設計思想,因而能提供最優的設計方案,可靠地實現性能目標。缺點是考慮因素多,涉及面廣,設計過程較為復雜繁瑣。國內外學者對多高層鋼筋混凝土和鋼結構基于性能的抗震優化設計問題進行了廣泛研究,提出了一些較為實用的優化算法。然而綜合設計法在空間結構領域的應用研究才剛剛開始,到目前為止,只有杜文風以壽命周期總費用最小為優化目標對單層Keiwitt型網殼進行了優化計算,提出了一種滿應力調控的優化算法。作為空間結構基于性能抗震設計研究的主要內容之一,空間結構基于性能抗震設計方法研究目前尚處于起步階段。2關鍵問題基于上述分析,對于基于性能的空間結構抗震設計,以下關鍵問題需著重進行深入研究。2.1地震動參數的確定由于地震動參數的選取依賴于所分析的結構類型,所以需要結合不同類型空間結構自身特點,依據有效性和充分性原則通過借鑒、比選等方法研究確定適合于不同類型空間結構的標量式、向量式或其它形式的地震動參數。2.2結構影響分析模型研究(1)空間結構精確化分析模型的建立。已有的研究中,結構模型均忽略了節點半剛性、屋面板蒙皮效應及耗能等因素的影響,這勢必對分析結果造成一定的誤差。今后應通過試驗和數值分析等手段研究空間結構節點在大變形循環荷載下的滯回性能,得到節點考慮損傷累積的多維動力滯回本構模型,并研究屋面板對結構的影響規律,建立綜合考慮節點滯回本構以及屋面板等因素的精確化空間結構分析模型。(2)空間結構桿件破壞、局部結構破壞與整體結構破壞的關系研究。應著重研究桿件突然失效所引起動力效應的合理計算方法,桿件在強震作用下斷裂、失穩以及塑性發展等對結構整體性能狀態的影響,并以此為基礎研究不同桿件重要性等級的劃分。(3)空間結構復雜耦合效應研究。主要包括土-基礎-支承結構-屋蓋結構動力相互作用以及大跨度空間結構多維多點地震動輸入下災變機理。(4)在基本掌握了單條地震波作用下空間結構地震反應的基礎上,利用IDA方法從概率角度研究空間結構的地震反應將是今后的發展趨勢。其中,各類空間結構合適的地震動參數以及能夠有效反應其整體破壞程度的性能水平劃分指標是IDA方法需要解決的關鍵問題。2.3地殼結構的抗疲勞動性能水平的劃分以及性能目標的確定(1)非結構構件地震災變仿真的應用震害調查表明,非結構構件、內部設施破壞引起的損失往往大于結構構件破壞引起的損失,這在2004年日本NiigataChuetsu里氏6.8級地震震后空間結構的災害調查中得到了印證。因此,空間結構性能水平的劃分需要綜合考慮結構及非結構構件的破壞狀態,建立包括屋面板、隔墻、內部設施等非結構構件在內的整體模型進行地震災變仿真是一種有效且經濟的方法,然而非結構構件的形式復雜多變,參數眾多,易受施工等因素的影響,如此多的不確定性大大增加了仿真難度,因此,類似于多高層結構,針對非結構構件、內部設施進行振動臺試驗是一種有效的補充研究手段。在大量計算機仿真和試驗數據的基礎上,研究能夠合理劃分空間結構性能水平的自定義綜合式標量指標、向量式指標或者兩者結合的指標,并進一步研究各種劃分指標的特點及其適用范圍。(2)基于可靠度的隨機性方法與作為未來發展方向目前主要有兩類方法來描述結構的性能目標:基于可靠度的隨機性方法和確定性方法。基于可靠度的隨機性方法能夠充分考慮外部荷載、結構本身等不確定性因素,因此是相對合理、全面的方