基于性能的抗震设计及Pushover分析方法的研究_汪运梅
抗
震研究
K A N G Z H E N Y A N J I U
汪运梅,等:基于性能的抗震设计及Push -over 分析方法的研究
74
《工程与建设》 2010年第24卷第1期
收稿日期:2009-10-10;修改日期:2009-10-30
作者简介:汪运梅(1985-),女,安徽六安人,合肥工业大学硕士生;
陈道政(1964-),男,安徽合肥人,博士,合肥工业大学教授.
基于性能的抗震设计及Push -over 分析方法的研究
汪运梅, 陈道政
(合肥工业大学土木与水利工程学院,安徽合肥 230009)
摘 要:基于性能的抗震设计(PBSD )是20世纪90年代国际抗震工程界提出的新概念,也是工程抗震发展史上的一个重要里程碑。文章详细阐述了基于性能的抗震设计方法产生的背景和基本理论,其中静力弹塑性Push -over 分析方法是实现基于性能的抗震设计的重要方法;概述了Push -over 分析方法的基本原理,并给出利用SAP2000程序进行Pu sh -over 分析的计算步骤。关键词:弹塑性;基于性能的抗震设计;Push -over ;S AP2000;能力谱
中图分类号:TU973.31 文献标识码:A 文章编号:1673-5781(2010)01-0074-04
目前,各国抗震设计规范多数采用的是“小震不坏,中震可修,大震不倒”的多级设计思想,但其实质
是以保证人的生命安全为原则的一级设计理论,据此设计的建筑在罕遇地震下可以避免倒塌而不危及人的生命安全,但地震所造成的经济损失即建筑使用功能的丧失和震后恢复重建费或所花费的时间可能大大超过社会和业主所能承受的限度。如何改进现行的抗震设计理念,使结构在未来地震中的损失不超过
人们预期的损失范围,在这种需求下基于性能的抗震设计理论应运而生。
1 基于性能的抗震设计理论(PBSD )
(1)PBSD 的主要步骤。基于性能的抗震设计(PBSD )的主要步骤应包括确定地震设防水准、结构抗震性能目标、结构抗震分析和设计方法以及目标评价等方面,如图1所示。
图1 建筑结构基于性能设计的基本流程图
(2)PBSD 的地震设防水准及性能水准。对于
基于性能的抗震设计,为实现多级抗震设防水平,控制不同地震作用下结构的破坏状态,就要细化地震设防水平。设防地震水平是按不同强度地震重现期或超越概率来表示的。文献[1]中建议地震设防等级,
见表1所列。
对不同地震设防水准,结构应达到相应的性能水准。结构的性能水准表示建筑物在特定的某设防地震水准作用下预期破坏的最大程度。它的确定应兼顾主体结构的安全性和非主体结构的破坏程度,主体
抗
震研究
K A N G Z H E N Y A N J I U
汪运梅,等:基于性能的抗震设计及Push -o ver 分析方法的研究
《工程与建设》 2010年第24卷第1期
75
表1 PBS D 地震作用设防水准
地震发生频度
地震设防水准重复发生时间/年
超越概率多遇水准143
30a 内50%偶遇水准27250a 内50%罕遇水准347550a 内10%稀罕水准497050a 内5%或100a 内10%
极罕遇
水准5
2475
50a 内2%
注:水准1相当于我国目前的“小震”设防水准;水准2相当于我
国目前的“中震”设防水准;而水准3相当于我国目前的“大震”设防水准。
结构和非主体结构的破坏引起的后果主要用结构的功能性和人员的安全情况来描述。文献[2]在总结美国
权威研究机构SEAOC 、ATC 和FEMA 研究成果的基础上,提出用结构位移来划分性能水准,见表2所列。
表2 PBS D 抗震性能水准
地震设防水准位移限值
生命安全情况与使用情况
结构损失状况水准1<0.2结构功能完整而可立即使用,生命安全
基本完好水准2<0.5经过稍微维修即可使用轻微损伤水准3<1.5结构发生需要进行大量修复的损伤
中等损伤水准4<2.5结构发生无法修复的损伤,接近倒塌严重损伤水准5
>2.5
结构发生倒塌
倒塌
(3)地震设防的性能目标。结构抗震设防目标是针对每一地震设防等级而期望达到的建筑物抗震
性能水准或等级。结构抗震设防目标的建立需要综合考虑场地特征、结构的功能与重要性、投资与效益、震后损失与恢复重建、潜在的历史或文化价值、社会效益与业主承受能力等诸多因素。文献[1]建议将结构的性能目标分为3种等级,即基本目标、重要目标和最高目标。其建议的地震设防等级与结构的抗震设防目标、抗震性能水准的关系,见表3所列。
表3 建筑抗震性能目标
地震发生频度性 能 水 准12
3
4
多遇基本目标偶遇重要目标基本目标罕遇最高目标
重要目标基本目标稀罕
最高目标
重要目标
基本目标
注:基本目标是一般建筑的最低期望性能水准;重要目标是医院、
公安消防、学校及通讯等重要建筑的最低期望性能水准;最高目标是含核材料等特别危险物资的特别重要建筑的最低期望性能水准。规范给出的性能目标是最低标准,结构性能目标可以根据业主的要求采用比规范目标更高的水准。
2 基于性能的抗震设计(PBSD )方法
在PBSD 中,为了达到不同水准地震下结构的性能目标,需要建立合理的结构模型并采用可行的分析方法对结构进行受力分析,性能目标可以用各种形式的结构反应参数来表示。如侧移、延性、结构损伤系数、层间位移角及变形率等,由于PBSD 需要考虑不同水准地震作用下结构的性能水准,故不仅需要在低级水准地震作用下对结构进行弹性分析,而更重要的是在强烈地震作用下的非线性分析。对于弹性结构分析,可采用比较成熟的弹性静力或弹性动力分析手段。而对于非线性分析,可采用弹塑性时程分析或静力弹塑性分析方法,由于弹塑性时程分析计算量大,分析复杂,且在合理地选择地震动时程方面也有很大困难,故不适于实际设计应用。而静力弹塑性分析方法(Push -over )目前在国际上被广泛推广使用,根据(Push -o ver )分析方法的原理,可以在不同软件或程序中进行实现,其中很多商业软件的新版本:如SAP2000、ETABS 、ANSYS 、M IDAS 、ABAQ US 和EPDA 等专门加进入了(Push -o ver )分析的模块,使其操作步骤大为简化。
3 应用SAP2000进行Push -over 分析
3.1 能力谱法的基本原理
(1)按规范或经验设计方法进行结构的承载力
设计。通过静力弹塑性分析(push -ov er )[3]
得到单调
增加水平荷载作用下的结构底部剪力与顶点位移(V -Δ)的关系曲线。
(2)对第一振型地震反应为主的建筑,可用等效单自由度体系代替原结构。将V -Δ曲线用(1)式转化为等效单自由度体系下结构的谱加速度和谱位移S a -S d 的关系曲线,即能力谱曲线。
S a =V /M ＊
S d =Δ/Г
(1)
其中,M ＊、Г为结构第一振型模态质量和振型参与系数;Δ为第一振型向量按顶点向量位移为1正则化。
(3)用规范加速度反应谱作为结构的地面运动输入,用(2)式将其转化为S a -S d 弹性需求谱曲线(ADRS 谱)。
S a =2πT
2
S d
(2)
实际结构在Push -o ver 分析中构件将进入弹塑
抗
震研究
K A N G Z H E N Y A N J I U
汪运梅,等:基于性能的抗震设计及Push -over 分析方法的研究
76
《工程与建设》 2010年第24卷第1期
性状态,需将弹性谱转化为弹塑性需求谱。在弹性
需求谱的基础上通过考虑等效阻尼比ζe 或延性比μ的折减来得到弹塑性需求谱。将能力谱曲线与弹塑性需求谱画在同一坐标系里,如图2所示,若两条曲线没有交点,说明结构的抗震能力不足,需要重新调整设计参数;若两条曲线相交,交点对应的位移即为等效单自由度体系在该地震作用下的谱位移。将谱位移按(1)式转换为原结构的顶点位移,根据该位移在原结构曲线上的位置,即可确定结构在该地震作用下结构的塑性铰分布、杆端截面的曲率等,综合检验结构的抗震能力或进行局部调整。
图2 能力谱曲线
3.2 SAP2000结构弹塑性分析
(1)基本假定。静力弹塑性分析方法的两个基本假定:①假定结构(一般为多自由度体系MDOF )的地震反应与某一等效的单自度体系(SDOF )相关,这就意味着结构的地震反应仅由第一振型控制。②结构沿高度的变形形状可以由形状向量{Υ}表示,即在整个地震反应过程中,不管结构的变形大小形状向量保持不变[4]。
(2)建立构件的恢复力曲线模型。作用构件的载荷被卸掉后,构件恢复原来状态的能力称为构件的恢复力,它与构件变形之间的关系曲线称为恢复力特征曲线。该曲线一般通过对构件进行反复循环加载试验得到,其形状取决于构件的材料性能以及受力状态。地震反应分析中如采用曲线状的恢复力特征曲线计算过于复杂,一般通过简化处理,用一系列直线代替上述曲线。对于钢筋混凝土构件,常使用双线型和三线型模型
[5]
。双线型模型是最简单的恢复力模
型,其正向加载的骨架曲线采用两根直线,加载及卸
载刚度保持不变,反向加载的骨架曲线同正向。三线型模型的正向加载的骨架曲线有三根直线组成,反向加载的骨架曲线同正向。模型的卸载刚度保持不变,加载刚度考虑了退化现象。三线型模型能较好地反
映以弯曲破坏为主的钢筋混凝土构件的特性,比较适
用于这类构件的计算。
(3)塑性铰的定义和设置。SAP2000针对框架单元提供了弯矩(M )、剪力(V )、轴力(P )、轴力和弯矩相关(PM M )4种塑性铰[6]
,可以在一根构件的任意部位布置一个或多个塑性铰,塑性铰的本构模型如图3所示。图3中纵坐标代表弯矩、轴力及剪力,横坐标代表曲率或转角、剪切变形及轴压变形。整个曲线分为4个阶段,即弹性段(AB )、强化段(BC )、卸载段(CD )和塑性段(D E )。其中,B 点表示出现塑性铰,C 点为倒塌点。B 点的确定涉及到杆件屈服力和屈服位移的确定,确定方法主要有两种:一种是自定义,输入某一具体值;另一种是由程序自动计算给出。确定C 、D 、E 时,各点的纵、横坐标需要分别按照力、位移与屈服力和屈服位移的比值来输入,SAP2000程序也提供了两种方法:一种是自定义,另一种是程序按照美国规范FEM A273和ATC -40给定。对于梁柱单元,一般情况是两端内力最大,所以一般在梁两端设置弯矩铰(M )和剪力铰(V ),在柱两端设置压
弯铰(PM M )。
图3 塑性铰的本构关系
3.3 侧向加载模式
(1)均匀分布。这种方法假定水平侧向力沿建筑物的高度为均匀分布,因此每一楼层水平力的增量可由(1)式计算,即
ΔF i =
ΔF b
n
(1)
其中,Δb b 为结构基底剪力的增量;n 为建筑物的总层数。
(2)倒三角形分布。这是目前国内、外大多抗震规范中采用的侧向力分布形式,即假定水平侧向力沿
建筑物的高度为倒三角形分布,则每一楼层水平侧向力的增量按(2)式计算,即
(下转第109页)
地
基与基础
D I J I Y U J I C H U
汪 媛,等:人防地下工程的设计要点及思考
《工程与建设》 2010年第24卷第1期
109
6 结束语
人民防空工程,是战时掩蔽人员、物资,保护人民生命和财产安全的重要场所,是实施人民防空最重要的物质基础。它在战时与平时都有着重要的作用,人
民防空工程建设,是人民防空防护体系建设的重要内容,也是城市人民保障自身安全的主要依托和可靠手段,因此,人防结构设计显得尤为重要。
人防地下室结构设计既要考虑平时工况又要考虑战时工况,且目前电算软件功能不是很完善,需要更深入地研究人防结构设计的技术问题,总结设计经验,提高设计水平。使结构设计既达到平时使用的经济性、合理性,又达到战时转换的便捷性和安全性,真正达到双赢。
〔参考文献〕
[1] 万 衍,刘远骏.深圳市某工程人防地下室设计若干问题探讨
[J ].中外建筑,2000(2):31-32.
[2] 张剑芳,王中泽.某工程人防地下室结构设计的若干问题的探讨
[J ].国外建材科技,2006(3):75-77.
[3] 陈朝军.人防地下室结构设计若干问题分析[J ].福建建筑,2007
(6):47-48.
[4] GB 50038-2005,人民防空地下室设计规范[S ].
[5] 王子安,关 群.某办公楼工程地下室上浮事故实例分析及处理
[J ].工程与建设,2009,23(6):848-850.
[6] 姚志钢.关于地下水浮力问题的探讨[J ].工程与建设,2007,21
(3):319-321,324.
[7] JGJ 94-2008,建筑桩基技术规范[S ].
(上接第76页)
ΔF i =
W i h i
∑n
i =1
W i h
i
ΔV b
(2)
其中,W i 、h i 分别为第i 楼层的重力荷载代表值和高度。
(3)指数分布。为了反映地震作用下不同楼层
加速度的变化,需要考虑变形的不同模态以及振动时高振型的影响,为此可按(3)式进行计算,即
ΔF i =W i
h k i
∑n i =1
W i h k
i
ΔV b
(3)
其中,k 为控制侧向力分布形式的参数,根据结构的基本自振周期可按(4)式取值,即
k =
1.0
T ≤0.52.0
T ≥2.5
1+T -0.52
1.00.5 4 结果分析和性能评价力 经Push -over 分析后,得到结构的性能点,根据性能点所对应的结构变形,通过以下3个方面的值对结构的抗震性能进行评估。①顶点侧移:是否满足抗震规范规定的弹塑性顶点位移限值。②层间位移角:是否满足抗震规范规定的弹塑性层间位移角限值。③构件的局部变形:指梁、柱等构件塑性铰的变形,检验它是否超过某一性能水准下的变形要求。 5 结束语 基于性能的抗震设计理论是以结构抗震性能分析为基础,考虑多种因素确定建筑物的性能目标,提出不同的抗震设防水准,使设计的建筑物在未来不同 的抗震等级的地震作用下可以达到预期的抗震性能目标,克服了基于承载力抗震设计不能预估结构屈服后抗震性能的缺陷。实际设计中,设计人员主要通过Push -ove r 分析方法进行性能抗震设计,这是目前一种比较现实可行的方法,Push -ove r 分析方法作为抗震设计的一种必要手段,作为近似的检验结构在大震下是否安全的方法,具有较好的工程价值和应用前景。 〔参考文献〕 [1] SE AOC Vision 2000.A Framew ork for Performance -Based En -gineering [R ].S tructural En gineering As sociation of C alifornia ,1995:276-284. [2] Smith K G .In novate in Earthquake Resistant Concrete S tru c -ture Des ign Philosophies :A Century of Progress Since Hen -nebique 's Patent [J ].Engineerin g S tru cture ,2001,23:72-81.[3] 周 骥,刘红梁,陆钦年.能力谱法和改进的能力谱法求解目标 位移[J ].工业建筑,2003(增刊):1019-1024. [4] 叶燎原,潘 文.结构静力弹塑性分析(Pu sh -over )的原理和计 算实例[J ].建筑结构学报,2000,21(1):37-43. [5] 汪大绥,贺军利,张凤新.静力弹塑性分析(Pus hover Analysis ) 的基本原理和计算实例[J ].世界地震工程,2004,20(1):45-53. [6] 北京金土木软件技术有限公司,中国建筑标准设计研究院. SAP2000中文版使用指南[M ].北京:人民交通出版社,2006. SAP2000之Pushover分析 Pushover分析：基本概念 静力非线性分析方法（Nonlinear Static Procedure），也称Pushover 分析法，是基于性能评估现有结构和设计新结构的一种方法。静力非线性分析是结构分析模型在一个沿结构高度为某种规定分布形式且逐渐增加的侧向力或侧向位移作用下，直至结构模型控制点达到目标位移或结构倾覆为止。控制点一般指建筑物顶层的形心位置；目标位移为建筑物在设计地震力作用下的最大变形。 Pushover方法的早期形式是“能力谱方法”(Capacity Spectrum Method CSM)，基于能量原理的一些研究成果，试图将实际结构的多自由度体系的弹塑性反应用单自由度体系的反应来表达，初衷是建立一种大震下结构抗震性能的快速评估方法。从形式上看，这是一种将静力弹塑性分析与反应谱相结合、进行图解的快捷计算方法，它的结果具有直观、信息丰富的特点。正因为如此，随着90年代以后基于位移的抗震设计(Diaplacement-Based Seismic Design,DBSD)和基于性能(功能)的抗震设计(Performance-Based Seismic Design. PBSD)等概念的提出和广为接受，使这种方法作为实现DBSD和PBSD的重要工具，得到了重视和发展。这种方法本身主要包含两方面的内容：计算结构的能力曲线(静力弹塑性分析)、计算结构的目标位移及结果的评价。第一方面内容的中心问题是静力弹塑性分析中采用的结构模型和加载方式；第二方面内容的中心问题则是如何确定结构在预定地震水平下的反应，目前可分为以A TC-40为代表的CSM和以FEMA356为代表的NSP （Nonlinear Static Procedure，非线性静力方法)，CSM的表现形式是对弹性反应谱进行修正，而NSP则直接利用各种系数对弹性反应谱的计算位移值进行调整。两者在理论上是一致的。在一些文献中将第一方面的内容称为Pushover，不包括计算目标位移和结果评价的内容。本文中，将两方面的内容统称为“Pushover 分析”。基于结构行为设计使用Pushover分析包括形成结构近似需求和能力曲线并确定曲线交点。需求曲线基于反应谱曲线，能力谱基于Pushover分析。在Pushover分析中，结构在逐渐增加的荷载作用下，其抗侧能力不断变化（通常用底部剪力-顶部位移曲线来表征结构刚度与延性的变化，这条曲线我们可以看成为表征结构抗侧能力的曲线）。将需求曲线与抗侧能力曲线绘制在一张图表中，如果近似需求曲线与能力曲线的有交点，则称此交点为性能点。利用性能点能够得到结构在用需求曲线表征的地震作用下结构底部剪力和位移。通过比较结构在性能点的行为与预先定义的容许准则，判断设计目标是否满足。在结构产生侧向位移的过程中，结构构件的内力和变形可以计算出来，观察其全过程的变化，判别结构和构件的破坏状态，Pushover分析比一般线性抗震分析提供更为有用的设计信息。在大震作用下，结构处于弹塑性工作状态，目前的承载力设计方法，不能有效估计结构在大震作用下的工作性能。Pushover分析可以估计结构和构件的非线性变形，结果比承载力设计更接近实际。Pushover分析相对于非线性时程分析，可以获得较为稳定的分析结果，减少分析结果的偶然性，同时可以大大节省分析时间和工作量。 超限高层建筑结构基于性能抗震设计的研究超限高层建筑的结构抗震设计中，采用基于性能要求的抗震设计方法，有助于提高高层建筑工程抗震设计的可靠性、避免抗震安全隐患，同时又促进高层建筑技术发展。 阐述基于性能抗震设计方法与常规抗震设计方法的比较；针对超限高层建筑结构的特点，提出结构的抗震性能目标、性能水准以及实施性能设计的主要方法，包括性能水准判别准则、性能目标的选用及结构计算和试验要求。文中还列举了应用性能设计理念和要求的部分工程实例。 基于性能的抗震设计理念和方法，自世纪年代在美国兴起，并日益得到工程界的关注。美国的ATC40（1996年）、FEMA237（1997年）提出了既有建筑评定、加固中使用多重性能目标的建议，并提供了设计方法。美国加州结构工程师协会SEAO于1995年提出了新建房屋基于性能的抗震设计。1998年和2000年，美国FEMA又发布了几个有关基于性能的抗震设计文件。2003年美国ICC（Internation-alCode Council）发布了《建筑物及设施的性能规范》，其内容广泛，涉及房屋的建筑、结构、非结构及设施的正常使用性能、遭遇各种灾害时（火、风、地震等）的性能施工过程及长期使用性能，该规范对基于性能设计方法的重要准则作了明确的规定。日本开始将抗震性能设计的思想正式列入设计和加固标准中，并已由建筑研究所（BRI）提出个性能标准。欧洲混凝土协会（CRB）于2003 年出版了“钢筋混凝土建筑结构基于位移的抗震设计”报告。澳大利亚则在基于性能设计的整体框架以及建筑防火性能设计等方面做了许多研究，提出了相应的建筑规范（BCA1996）。我国在基于性能的抗震设计方面也发表了不少论文加以研究和探讨。基于性能的抗震设计是建筑结构抗震设计的一个新的重要发展，它的特点是：使抗震设计从宏观定性的目标向具体量化的多重目标过渡，业主（设计者）可选择所需的性能目标；抗震设计中更强调实施性能目标的深入分析和论证，有利于建筑结构的创新，经过论证（包括试验）可以采用现行标准规范中还未规定的新的结构体系、新技术、新材料；有利于针对不同设防烈度、场地条件及建筑的重要性采用不同的性能目标和抗震措施。这一方法是一种发展方向。目前，这一方法在工程中还未得到广泛的应用，还有一些问题有待研究改进，诸如：地震作用的不确定性、结构分析模型和参数的选用存在不少经验因素、模型试验和震害 收稿日期：２００８－０３－０９ 作者简介：张志飞（１９７１—），男，安徽枞阳人，安徽省池州市规划建筑设计院工程师，国家一级注册结构工程师，主要从事建筑设计工作和研究。 目前世界各国在高层建筑结构抗震设计中，广泛采用简便且易于实施的弹性分析方法（包括底部剪力法、振型分解反应谱法及弹性时程分析方法）。然而，现有的结构抗震设计没有也不能保证结构在强震作用下也能完全处于弹性状态。国内外历次震害表明，对高层建筑结构进行大震作用下的弹塑性变形验算是必要的。因为弹性变形分析不可能完全真实地反映高层建筑结构在强震作用下的受力性能。当前，动力弹塑性分析方法的应用尚不普及，通常仅限于理论研究中。Ｐｕｓｈｏｖｅｒ分析方法是近年来较为流行的一种结构抗震弹塑性分析方法，许多国家的建筑抗震设计规范已经或计划将这一分析方法纳入其中（如美国的ＡＴＣ—４０，ＦＥ－ＭＡ２７３［１］、２７４［２］。日本、韩国的抗震设计规范及欧共体抗震设计规范等）。 我国新的建筑抗震设计规范将Ｐｕｓｈｏｖｅｒ方法与动力弹塑性分析方法，并列为罕遇地震作用下高层建筑结构抗震变形验算的基本方法。由于 Ｐｕｓｈｏｖｅｒ方法是我国建筑抗震设计规范指定的结构 抗震变形验算的基本方法，工程设计人员迫切需要知道其适用范围、计算过程及实施步骤，更希望能提高其可靠性、扩展其适应范围。可以说，发展、改进结构Ｐｕｓｈｏｖｅｒ（静力弹塑性）方法是势在必行，是我国工程抗震研究领域面临的重要任务之一。 １高层建筑结构平面Ｐｕｓｈｏｖｅｒ分析方法 目前Ｐｕｓｈｏｖｅｒ（亦称静力弹塑性分析）方法的 研究，一般以平面结构为研究对象，研究的重点集 中在加载模式、目标位移及Ｐｕｓｈｏｖｅｒ方法的可靠性分析等方面。在Ｐｕｓｈｏｖｅｒ方法合理加载模式的选择研究方面，Ｌａｗｓｏｎ等［３］以四类抗弯框架（２层、５层、 １０层和１５层）为研究对象，通过与动力弹塑性分 析的结果进行比较，探讨了３种侧向加载模式（ＵＢＳ设计加载模式、 均布加载模式、组合振型加载模式）的可靠性；Ｖａｌｌｅｓ和Ｒｅｉｎｈｏｒｎ［４］同样以一个四层建筑为例，比较了均布加载模式、倒三角形加载模式、幂级数加载模式及自适应动态加载模式对 Ｐｕｓｈｏｖｅｒ分析结果的影响；杨溥等［５］、Ｍｏｇｈａｄａｍ［６］等 也作过类似的研究。 事实上，上述研究的各种加载模式均是单调增加的荷载分布，不可能从根本上解决其与实际地震荷载的差别，无法兼顾低阶振型与高阶振型的影响。正是基于上述原因，ＦＥＭＡ—２７３（１９９７）在其第 ２章第９条第２款对Ｐｕｓｈｏｖｅｒ方法的应用范围作 了限制，规定对于高阶振型影响较大的高层建筑，不宜单独应用Ｐｕｓｈｏｖｅｒ分析；如果应用Ｐｕｓｈｏｖｅｒ分析，必须要对高层建筑进行动力弹性分析，并由此按照有关条款修正Ｐｕｓｈｏｖｅｒ分析结果。若要突破 ＦＥＭＡ—２７３的规定，使Ｐｕｓｈｏｖｅｒ方法有更广泛的 应用范围，必须采用新的思路。 为此，周锡元等人［７］提出了以反应谱为基础，考虑高阶振型的高层建筑结构的静力弹塑性分析方法，在同一时期，加利福尼亚大学伯克利分校的 Ｃｈｏｐｒａ教授［８，１４］也提出了计算过程及计算原理完全 相同的振型静力弹塑性分析方法（ＭｏｄａｌＰｕｓｈｏｖｅｒ Ａｎａｌｙｓｉｓ，简称ＭＰＡ）。这种ＭＰＡ方法适用于包括 高层建筑结构Ｐｕｓｈｏｖｅｒ分析方法的研究现状及改进设想 张志飞 （池州市规划建筑设计院，安徽池州２４７０００） ［摘要］Ｐｕｓｈｏｖｅｒ分析方法近年来应用日益广泛，并成为基于性能的设计方法中的最重要工具之一。本文回顾了高层建筑结构ｐｕｓｈｏｖｅｒ分析方法的发展，对该法的研究现状进行了分析与探讨，针对该研究领域现存的一些问题，提出了若干改进的设想，供高层建筑结构研究与设计参考。 ［关键词］高层建筑结构；ｐｕｓｈｏｖｅｒ；研究现状［中图分类号］ＴＵ３１ ［文献标识码］Ａ ［文章编号］１６７４－１１０２（２００８）０３－００６１－０３ ２００８年６月第２２卷第３期 Ｊｕｎ．２００８Ｖｏｌ．２２Ｎｏ．３ ＪｏｕｒｎａｌｏｆＣｈｉｚｈｏｕＣｏｌｌｅｇｅ 对试验设计方法的一些探究 试验设计概述： 试验研究可分为试验设计、试验的实施、收集整理和分析试验数据等步骤。而实验设计是影响研究成功与否最关键的一个环节，是提高试验质量的重要基础。试验设计是在试验开始之前，根据某项研究的目的和要求，制定试验研究进程计划和具体的试验实施方案。其主要内容是研究如何安排试验、取得数据，然后进行综合的科学分析，从而达到尽快获得最优方案的目的。如果试验安排得合理，就能用较少的试验次数，在较短的时间内达到预期的试验目的；反之，试验次数既多，其结果还往往不能令人满意。试验次数过多，不仅浪费大量的人力和物力，有时还会由于时间拖得太长，使试验条件发生变化而导致试验失败。因此，如何合理安排试验方案是值得研究的一个重要课题。 目前，已建立起许多试验设计方法。如我们大家比较熟悉的，常用单因素实验设计方法的有黄金分割法、分数法、交替法、等比法、对分法和随机法等，这些方法为多因素试验水平范围的选取提供了重要的依据，并在生产中取得了显著成效。而多因素试验设计方法有正交试验设计、均匀实验设计、稳健试验设计、完全随机化设计、随机区组试验设计、回归正交试验设计、回归正交旋转试验设计等。下面通过以下几种方法进行探究。 一、单因素试验设计 在其他因素相对一致的条件下，只研究某一个因素效应的试验，就叫单因素试验。常用的单因素试验设计方法有黄金分割法、分数法、交替法、等比法、对分法和随机法等。单因素试验不仅简单易行，而且能对被试验因素作深入研究，是研究某个因素具体规律时常用而有效的手段。同时还可结合生产中出现的问题随时布置试验，求得迅速解决。单因素试验由于没有考虑各因素之间的相互关系，试验结果往往具有一定的局限性。 单因素试验只研究一个因素的效应，制定试验方案时，根据研究的目的要求及试验条件，把要研究的因素分成若干水平，每个水平就是一个处理，再加上对照（有时就是该因素的零水平）就可以了。 例如硫酸铵加量对微生物生长的影响试验，硫酸铵的用量分、、、四个水平。 在设计单因素试验方案时，应注意数量水平的级差不能过细。过细，试验因素不同水平的效应差异不明显，甚至会被试验误差所掩盖， 提要：本文首先介绍采用Midas/Gen进行Pushover分析的主要方法及使用心得，然后结合工程实例进行具体说明，其结果反映出此类结构在大震下表现的一些特点，可供类似设计参考。 关键词：Pushover 剪力墙结构超限高层 Midas/Gen 静力弹塑性分析（Pushover）方法是对结构在罕遇地震作用下进行弹塑性变形分析的一种简化方法，本质上是一种静力分析方法。具体地说，就是在结构计算模型上施加按某种规则分布的水平侧向力，单调加荷载并逐级加大；一旦有构件开裂（或屈服）即修改其刚度（或使其退出工作），进而修改结构总刚度矩阵，进行下一步计算，依次循环直到结构达到预定的状态（成为机构、位移超限或达到目标位移），得到结构能力曲线，并判断是否出现性能点，从而判断是否达到相应的抗震性能目标[1]。 Pushover方法可分为两个部分，第一步建立结构能力谱曲线，第二步评估结构的抗震性能。 对剪力墙结构体系的超限高层而言，选取Pushover计算程序的关键是程序对墙单元的设定。SAP2000、ETABS软件没有提供剪力墙塑性铰，对框-剪结构可将剪力墙人工转换为模拟支撑框架进行分析；对剪力墙结构来说，进行转换不可行。而Midas/Gen程序提供了剪力墙Pushover单元（类似薄壁柱单元，详见用户手册），对剪力墙能够设置轴力－弯矩铰以及剪切铰。下面将详细介绍如何在Midas/Gen中进行Pushover分析的步骤（以Midas/Gen 6.9.1为例）： 一 Pushover分析步骤 1. 结构建模并完成静力分析和构件设计直接在Midas/Gen中建模比较繁琐，可以用接口转换程序从SATWE(或其他程序如SAP2000)中导入。SATWE转换程序由Midas/Gen提供，会根据PKPM的升级而更新。转换仅需要SATWE中的Stru.sat 和Load.sat文件。转换时需要注意的是，用转换程序导入SATWE的模型文件后，形成的是Midas/Gen的Stru.mgt文件，是模型的文本文件形式，需要在Midas/Gen中导入此文件，导入后还应该注意以下几个问题： 1) 风荷载及反应谱荷载没有导进来，需要在Midas/Gen中重新定义； 2) 需要定义自重、质量； 3) 需要定义层信息，以及墙编号； 此外，还应注意比较SATWE的质量与Midas/Gen的质量，并比较两者计算的周期结果实否一致。 2. 输入Pushover分析控制用数据 荷载最大增幅次数用于定义达到设定的目标位移（或荷载）的分步数，一般来说，分步越多，每次的增幅越小，最终得到的能力谱曲线越平滑。但是分步过多带来计算时间上的大大增加，所以取值应该由少至多进行试算，直到取得满意的曲线结果为止。 图１ 10分步，每步最大10次迭代结果 基于性能的抗震设计是近年来提出并备受关注的一种新的抗震设计思想。下面先从回顾传统抗震设计思想入手，进而引出这种新的抗震设计思想的发展轨迹及其主要问题。 1 传统抗震设计思想及方法 考察目前世界各国抗震设计规范，大多数国家均以“小震不坏、中震可修、大震不倒”作为抗震设计思想，我国2001年的新的《建筑抗震设计规范》也是如此。为实现上述三水准抗震设防要求，各国采取了不同的设计方法，但均大同小异。我国是采用二阶段抗震设计方法来保障对大量的一般工业和民用建筑实现其三水准的抗震设防要求，同时以此方法为基础通过对建筑物进行抗震重要性分类（甲、乙、丙、丁四类）来区别不同类别的建筑并采取相应的修正方法来满足不同的抗震设防要求。这二阶段设计方法是：第一阶段进行强度验算，即取第一水准烈度（小震）的地震动参数，用弹性反应谱计算结构的弹性地震作用及效应，并与其他荷载效应组合，对构件截面进行抗震承载力验算，以保证必要的强度可靠度要求；再通过合理的结构布置和有关的构造措施，保证结构具有必要的变形能力。第二阶段进行弹塑性验算，即对特别重要的建筑和地震时易倒塌的结构，要按第三水准烈度（大震）的地震动参数进行薄弱层（部位）的弹塑性变形验算，并采用相应的构造措施以满足“大震不倒”的设防要求。 归纳起来，传统抗震设计思想及其方法具有如下五个特点： （1）三水准抗震设计思想是以保障人民生命安全为基本目标的，因此与现代建筑所蕴含的经济、社会、政治等多方面功能无法适应。 （2）三水准抗震设计思想对结构的功能要求规定过于泛化，因而无法满足投资者、业主或环境对其功能上的“个性”要求。 （3）三水准抗震设计思想对三级设防水准小震、中震、大震用不同的50年基准期内的超越概率（分别为%、10％和2％～3％）来定义，且以各地地震基本烈度为基础反映，在应用上不方便。 （4）二阶段抗震设计方法中对地震作用（包括弹性和弹塑性）的计算是以加速度反应谱作为其基本的表达方式，它无法解决地面运动长周期成分所引起的结构的速度和位移响应问题。 （5）二阶段抗震设计方法所采用的基于概率的极限状态设计思想其可靠度只局限在构件层次，且采用分项系数来保证可靠度。显然，由此得到的结构体系的可靠度会分布在一个很大的范围内。 基于现有建筑结构抗震设计规范的缺陷及存在的问题,为了更好地满足社会和公众对结构抗震性能的多种需求,美国联邦紧急救援署(ＦＥＭＡ)和国家自然科学基金会(ＮＳＦ)资助开展了一项为期6年的行动计划,对未来的抗震设计进行了多方面的基础性研究,提出了基于性能的抗震设计理论,包括设计理论的框架、性能水准的定性与定量描述、结构非线性分析方法。日本、新西兰、欧共体、加拿大、澳大利亚相继开展了基于性能的结构抗震设计理论的研究。2000年11月15日,这些国家的地震工程研究人员汇集日本国土交通省建筑研究所,就基于性能的结构抗震设计理论的概念性框架、荷载与反应、抗震设计等主要内容进行了学术交流。可以肯定地说,基于性能的结构抗震设计理论已成为这些国家地震工程研究的热门课题。我国在该领域的研究是近几年的事,主要集中在如何消化国外研究成果,这在新的《建筑结构抗震设计规范》中得到了一定程度的体现。我国工程抗震界普遍认为,中国21世纪的抗震设计规范应顺应国际发展,发展适合国情的基于性能的结构抗震设计理论。 2 基于性能的抗震设计概念 如上所述，传统的抗震设计思想及方法无法满足人们对结构抗震功能的深 上海中心结构抗震设计研究 1． 工程介绍 坐落于浦东陆家嘴商业中心区的上海中心大厦是一幢综合性超高层建筑，其功能区域包括办公、商业、酒店、观光娱乐、会议中心和交易六大功能区域，具体分为大众商业娱乐区域，低、中高档办公区域，企业会馆区域，精品酒店区域，顶部功能体验空间等。地上可容许建筑面积（FAR ）大约为380，000平米。其中包括地上120层办公楼层（塔尖高度为632米，结构高度574.6米），还包括一个5层的商业裙楼用作奢侈品零售，办公和酒店大堂，饭店，会议和宴会等。此外，5层地下部分设计用作零售、泊车、保养和机电功能。 上海中心采用中心混凝土剪力墙筒体结构，通过8个加强层，与巨型型钢混凝土超级柱相连接，并同时将整个建筑沿高度方向分为了9个区段。（Zone1 to Zone 9）通过筒体结构与巨型柱的共同作用，承受竖向荷载、水平侧向力以及地震荷载。加强层由空间的外伸臂桁 架、带状桁架、以及空间杆件体系和楼板组成，带状桁架将外围的八根（上部区域四根）巨 巨型柱 加强层 巨型柱 核心筒 巨型角柱 外伸臂桁架 带状桁架 型柱圈成一体，外伸臂桁架则将巨型柱与核心筒联系在一起，传递水平以及竖向荷载。 上海中心结构体系复杂： （1）结构高度及高宽比都超过《高层建筑混凝土结构技术规程》（JGJ3-2002）的规定限值； （2）结构类型为混合结构。中心为核心筒体，与外部四个巨型柱以及四个巨型角柱构成结构主体；通过外伸臂将核心筒与巨型柱联系在一起；通过带状桁架将巨型柱围成整体；带状桁架采用钢桁架；巨型柱采用型钢混凝土。 （3）沿结构高度方向按每一个加强层设置一道外伸臂桁架。伸臂桁架采用两层高的钢桁架。 （4）沿结构高度方向按每一个加强层设置一套带状桁架，把外围柱子的荷载传递给巨型柱。 （5）建筑物采用了多重抗侧力体系。 鉴于此为了确保该建筑结构的抗震安全性和可靠性，除进行常规的计算分析、有效的设计手段和构造措施外，应当对该结构进行基于性态的抗震设计研究，通过非线性有限元手段，更深入、直观、全面地研究该结构的抗震性能。 2．抗震设防标准 中国国家标准《建筑抗震设计规范》（GB50011-2001）采用“小震不坏、中震可修、大震不倒”的设防目标，其对应于“小震、中震、大震”三个地震水准的发生概率，50年超越概率分别为63％、10％和2～3％。 本工程所处地区中国上海市的抗震设防烈度为7度。根据中国国家标准《建筑抗震设防分类标准》（GB50223），该建筑物的重要性等级为乙类，即在地震时其使用功能不能中断或需尽快恢复的建筑。因此该建筑物的地震作用按7度考虑，抗震构造措施按8度考虑。7度小震、中震、大震和8度大震所对应的地震地面加速度分别为35gal、100gal、220gal、400gal。 上海属于软土地基，场地类别为Ⅳ类，对应的场地特征周期为0.9S。 鉴于该工程的重要性和复杂性，除满足现行设计标准外，特制定其抗震性能水准如下：（1）7度小震和中震作用下，结构基本处于弹性状态，结构完好无损伤； （2）7度大震作用下，结构构件允许开裂，但开裂程度控制在可修复的范围内，开裂部位在可控制的范围内，主要抗侧力体系（巨型框架，巨型斜撑）在按标准强度计算时不屈服。 （3）在8度大震作用下，结构可能出现严重的破坏，但不能倒塌。 借助非线性有限元分析软件Perform-3D对建筑的主体结构进行推覆分析、地震作用下的时程分析，从而实现对结构抗震性能的分析。 3．结构性能目标 （1）7度小震和中震下的结构弹性状态 层间位移角不大于1/500，理论分析和模型试验中结构不出现裂缝，钢筋应力不超过屈服强度，混凝土压应力不超过抗压强度的1/3，在地震作用后结构变形基本恢复，节点处在 Pushover分析：基本概念静力非线性分析方法（Nonlinear Static Procedure），也称Pushover 分析法，是基于性能评估现有结构和设计新结构的一种方法。静力非线性分析是结构分析模型在一个沿结构高度为某种规定分布形式且逐渐增加的侧向力或侧向位移作用下，直至结构模型控制点达到目标位移或结构倾覆为止。控制点一般指建筑物顶层的形心位置；目标位移为建筑物在设计地震力作用下的最大变形。Pushover方法的早期形式是“能力谱方法”(Capacity Spectrum Method CSM)，基于能量原理的一些研究成果，试图将实际结构的多自由度体系的弹塑性反应用单自由度体系的反应来表达，初衷是建立一种大震下结构抗震性能的快速评估方法。从形式上看，这是一种将静力弹塑性分析与反应谱相结合、进行图解的快捷计算方法，它的结果具有直观、信息丰富的特点。正因为如此，随着90年代以后基于位移的抗震设计(Diaplacement-Based Seismic Design,DBSD)和基于性能(功能)的抗震设计(Performance-Based Seismic Design. PBSD)等概念的提出和广为接受，使这种方法作为实现DBSD和PBSD的重要工具，得到了重视和发展。这种方法本身主要包含两方面的内容：计算结构的能力曲线(静力弹塑性分析)、计算结构的目标位移及结果的评价。第一方面内容的中心问题是静力弹塑性分析中采用的结构模型和加载方式；第二方面内容的中心问题则是如何确定结构在预定地震水平下的反应，目前可分为以ATC-40为代表的CSM和以FEMA356为代表的NSP （Nonlinear Static Procedure，非线性静力方法)，CSM的表现形式是对弹性反应谱进行修正，而NSP则直接利用各种系数对弹性反应谱的计算位移值进行调整。两者在理论上是一致的。在一些文献中将第一方面的内容称为 建筑结构学报 Journal of Building Structures第31卷第6期2010年6月 Vol131No16June2010017文章编号:100026869(2010)0620145208 基于性能的空间结构抗震设计研究现状与关键问题 张毅刚,杨大彬,吴金志 (北京工业大学城市与工程安全减灾省部共建教育部重点实验室,北京100124) 摘要:基于性能的抗震设计是结构抗震设计的发展趋势。以基于性能的结构抗震设计研究内容和发展趋势为背景,从地震危险性分析、结构反应性能参数确定、结构抗震性能水平划分及性能目标确定、基于性能的抗震设计方法等四个方面对国内外基于性能的空间结构抗震设计研究现状进行了总结。依据有效性和充分性原则研究确定适合于不同类型空间结构的标量式、向量式或其它形式的地震动参数,提出了空间结构反应性能参数确定中的关键问题。空间结构抗震性能水平划分研究中需要综合考虑结构及非结构构件因素,通过数值仿真和试验相结合的研究手段确定能够合理划分其性能水平的自定义综合式标量指标、向量式指标或者两者结合的指标,空间结构性能目标确定及抗震设计方法研究应基于可靠度理论及“投资2效益”准则。 关键词:大跨度空间结构;基于性能;抗震设计 中图分类号:T U39313 文献标志码:A Research status and key issues of perf or mance2based seis m ic design of s patial structures Z HANG Yigang,Y ANG Dabin,WU J inzhi (Key Laborat ory of U rban Security and D isaster Engineering,MOE,Beijing University of Technol ogy,Beijing100124,China) Abstract:The perfor mance2based design is the devel opment trend of seis m ic design.Based on the research top ics and devel opment trends of perfor mance2based seis m ic design,the state2of2the2art of perfor mance2based seis m ic design for s patial structures is p rovided,with subjects on seis m ic hazard analysis,structural res ponse analysis,classification of perfor mance levels and deter m ination of perfor mance objectives,perfor mance2based seis m ic design methodol ogy. Scalar,vector and other type of ground motion parameters for vari ous types of s patial structures should be deter m ined by efficiency and sufficiency p rinci p les,and the key issues in the research of seis m ic behavior of s patial structures are p resented.In classifying the seis m ic perfor mance levels of spatial structures,the structural and non2structural elements should be considered,and the numerical si mulati on and ex peri mental methods should be used to deter m ine the user2 defined comp rehensive index,vect or2valued index or the index combining these t wo for m s.The selection of perfor mance objectives and the design methodol ogy research should be based on the reliability theory and cost2 effectiveness criteri on. Keywords:large2s pan spatial structure;perfor mance2based;seis m ic design 基金项目:国家自然科学基金重大研究计划重点支持项目(90715034)。 作者简介:张毅刚(1949— ),男,上海人,教授。E2mail:zyg@bjut1edu1cn 收稿日期:2009年10月 541 PUSHOVER方法 1.介绍 PushOVER计算是属于非线性静力计算，可以考虑多种非线性：材 料非线性（在连接/支座单元内的多种类型的非线性属性；框架单元内 的拉和/或压极限；框架单元内的塑性铰）；几何非线性（P-delta 效应；大位移效应）；阶段施工（结构改变；龄期、徐变、收缩）。 所有在模型中定义的材料非线性将在非线性静力分析工况中考虑。 用户可选择考虑几何非线性的类型：无 P-delta 效应大位移效应。阶 段施工可作为一个选项。即使独立的阶段是线性的，结构从一个阶段 到下一阶段被考虑为非线性。 2 加载 用户可施加任意荷载工况组合、加速度荷载和模态荷载。其中模态 荷载是用于pushover分析的特定类型的荷载。它是在节点的力的模式，与特定振型形状、圆频率平方（ω2）、分配至节点质量的乘积成正比。 指定的荷载组合同时施加。一般地，荷载从零增加至完全指定的量。对于特殊目的（如 pushover 或 snap-though 屈曲），用户可选择使用监 控结构所产生的位移来控制加载。 当用户知道所施加的荷载量，且期望结构能够承担此荷载时，选择 荷载控制。例如，施加重力荷载。在荷载控制下，所有荷载从零增加 至完全指定的量。 当用户知道所期望的结构位移，但不知道施加多少荷载时，选择位 移控制。这对于在分析过程中可能失去承载力而失稳的结构，是十分 有用的。标准的应用包括静力pushover 或 snap-though 屈曲分析。用户 必须选择一个位移分量来监控，可以是节点的单个自由度，或一个用 户以前定义的广义位移。用户必须指定分析中的目标位移。程序将试 图施加达到此位移的荷载。荷载量在分析中可被增加或减少。确认选 择一个在加载过程中单调增加的位移分量。若这不可能，则用户必须 将分析分割至两个或更多的顺序工况，在不同的工况中改变所监控的 位移。 注意使用位移控制和在结构施加位移荷载是不同的！位移控制只用 来计量从所施加荷载产生的位移，来调整荷载量，以试图达到某种计 量的位移值。 3 铰卸载方法 卸载整个结构；局部卸载；使用割线刚度重新开始。第一种方法通 常使用，效率最高，第三种方法效率最低。 4 PUSHOVER方法 非线性静力pushover分析是一个特定的过程，用于地震荷载的基于 性能的设计。 SAP2000 提供了pushover 分析需要的下列工具： 静力弹塑性分析(Pushover 分析) ■ 简介 Pushover 分析是考虑构件的材料非线性特点，分析构件进入弹塑性状态直至到达极限状态时结构响应的方法。Pushover 分析是最近在地震研究及耐震设计中经常采用的基于性能的耐震设计(Performance-Based Seismic Design, PBSD)方法中最具代表性的分析方法。所谓基于性能的耐震设计就是由用户及设计人员设定结构的目标性能(target performance)，并使结构设计能满足该目标性能的方法。Pus hover 分析前要经过一般设计方法先进行耐震设计使结构满足小震不坏、中震可修的规范要求，然后再通过pushover 分析评价结构在大震作用下是否能满足预先设定的目标性能。 计算等效地震静力荷载一般采用如图2.24所示的方法。该方法是通过反应修正系数(R)将设计荷载降低并使结构能承受该荷载的方法。在这里使用反应修正系数的原因是为了考虑结构进入弹塑性阶段时吸收地震能量的能力，即考虑结构具有的延性使结构超过弹性极限后还可以承受较大的塑性变形，所以设计时的地震作用就可以比对应的弹性结构折减很多，设计将会更经济。目前我国的抗震规范中的反应谱分析方法中的小震影响系数曲线就是反应了这种设计思想。这样的设计方法可以说是基于荷载的设计(force-based design)方法。一般来说结构刚度越大采用的修正系数R 越大，一般在1~10之间。 但是这种基于荷载与抗力的比较进行的设计无法预测结构实际的地震响应，也无法从各构件的抗力推测出整体结构的耐震能力，设计人员在设计完成后对结构的耐震性能的把握也是模糊的。 基于性能的耐震设计中可由开发商或设计人员预先设定目标性能，即在预想的地震作用下事先设定结构的破坏程度或者耗能能力，并使结构设计满足该性能目标。结构的耗能能力与结构的变形能力相关，所以要预测到结构的变形发展情况。所以基于性能的耐震设计经常通过评价结构的变形来实现，所以也可称为基于位移的设计(displacement-based design)。 Capacity (elastic) Displacement V B a s e S h e a r 图 2.24 基于荷载的设计方法中地震作用的计算 收稿日期:2003-02-16; 修订日期:2003-05-12 基金项目:华东建筑设计研究院有限公司第2001年度科研项目. 作者简介:汪大绥(1941-),男,江西乐平人,教授级高工,主要从事大型复杂结构设计与研究工作. 文章编号:100726069(2004)0120045209 静力弹塑性分析(Pushover Analysis )的 基本原理和计算实例 汪大绥 贺军利 张凤新 (华东建筑设计研究院有限公司,上海200002) 摘要:阐述了美国两本手册FE M A273/274和AT C -40中关于静力弹塑性分析的基本原理和方法,给出了利用ET ABS 程序进行适合我国地震烈度分析的计算步骤,并用一框剪结构示例予以说明,表明 Pushover 方法是目前对结构进行在罕遇地震作用下弹塑性分析的有效方法。 关键词:静力弹塑性;能力谱;需求谱;性能点中图分类号:P315.6 文献标识码:A The basic principle and a case study of the static elastoplastic analysis (pushover analysis) W ANG Da 2sui HE Jun 2li ZH ANG Feng 2xin (East China Architectural Design &Research Institute C o.,Ltd ,Shanghai 200002,China ) Abstract :This paper reviews the basic principles and methods of the static elasto 2plastic analysis (pushover analysis )in FE MA273/274and in AT C 240.Its main calculation procedures are summarized and a case study is presented for the frame 2shearwall structure designed according to China C ode for Seismic Design by means of ET ABS.It has been proved that pushover analysis is a effective method of structural elastoplastic analysis under the maximum earthquake action.K ey w ords :static elastoplastic ;capacity spectrum ;demand spectrum ;performance point 1 前言 利用静力弹塑性分析(Pushover Analysis )进行结构分析的优点在于:既能对结构在多遇地震下的弹性设 计进行校核,也能够确定结构在罕遇地震下潜在的破坏机制,找到最先破坏的薄弱环节,从而使设计者仅对局部薄弱环节进行修复和加强,不改变整体结构的性能,就能使整体结构达到预定的使用功能;而利用传统的弹性分析,对不能满足使用要求的结构,可能采取增加新的构件或增大原来构件的截面尺寸的办法,结果是增加了结构刚度,造成了一定程度的浪费,也可能存在新的薄弱环节和隐患。 对多遇地震的计算,可以与弹性分析的结果进行验证,看总侧移和层间位移角、各杆件是否满足弹性极限要求,各杆件是否处于弹性状态;对罕遇地震的计算,可以检验总侧移和层间位移角、各个杆件是否超过弹塑性极限状态,是否满足大震不倒的要求。 20卷1期2004年3月 世 界 地 震 工 程 W OR LD E ARTH QUAKE E NGI NEERI NG V ol.20,N o.1 Mar.,2004 基于抗震性能设计简介 徐永基 中国建筑西北设计研究院 二○一二年十月 目录 一、基于抗震性能设计的概述 二、结构抗震性能目标设计 （一）结构抗震性能控制目标的制定 1、地震动水准的确定 2、结构抗震性能目标的划分 3、四级性能目标及五类性能水准 （二）结构抗震性能设计 1、结构构件对应于不同性能要求的承载力参考指标 2、结构构件对应于不同性能要求的层间位移参考指标 3、结构构件细部构造对应于不同性能要求的抗震等级。 （三）不同抗震性能水准的结构承载力设计 （四）不同抗震性能水准位移控制目标 （五）结构抗震性能设计对弹塑性计算分析的要求。 一、基于抗震性能设计的概述 （一）基于抗震性能设计的理论，是近十多年来，世界上一些国家开始研究的抗震设计方法。最早由美国于20世纪90年代开始研究，主要在既有建筑评定、加固中使用了多重目标的概念，并提供了设计方法；以后又提出了新建房屋基于性能的抗震设计理念及设计方法，可较广泛应用于工程建设中。随后日本、澳大利亚、欧洲混凝土协会及我国也展开了这项研究，提出了相应的设计规范。我国目前已批准的《建筑抗震设计规范》及《高层建筑混凝土结构设计规程》在近几年科研与工程实践的基础上，已开始纳入性能目标设计的内容，由于该项技术尚处于起步阶段，不少问题需进一步研究，如地震作用的不确定性、结构分析模型和参数的选用存在不少经验因素、模型试验和震害资料较少等，但随着在工程中的不断应用，将会逐渐完善成熟。 （二）基于抗震性能设计方法的特点是：使抗震设计从宏观定性目标具体量化，建设单位或设计者可选择性能目标，然后对确定的性能目标进行深入的分析论证再通过专家的审查。这一方法可适用于一些目前现行标准规范中尚未涉及的复杂结构体系，为推广应用新体系、新材料、新技术，提供了技术可能，是目前抗震设计中研究的热点，预期会成为一种新的发展 考虑竖向地震效应的模态Pushover 分析方法 3 尹 犟 易伟建 (湖南大学土木工程学院,长沙 410082) 摘 要:传统的Pushover 方法未考虑竖向地震效应对结构水平位移需求的影响,当地面运动中竖向分量所占比例相对较高时,该方法很难对结构最大位移需求作出精确估计。通过对其进行改进,提出首先对结构按一定方式施加竖向地震引起的惯性力,随后进行结构水平向的多模态推覆分析,并按SRSS 方法计算其最大位移需求。最后采用一多层混凝土框架结构对其进行验证,结果表明,该方法所得的楼层位移及层间位移角与非线性时程分析结果十分接近,具有较高的精度。 关键词:竖向地震;Pushover 分析;竖向模态;位移需求 THE MODA L PUSH OVER ANA LYSIS WITH THE CONSI DERATION OF THE VERTICA L SEISMIC EFFECTS Y in Jiang Y i Weijian (C ollege of Civil Engineering ,Hunan University ,Changsha 410082,China ) Abstract :In the traditional Pushover method ,the vertical earthquake effect ,which has an impact on horizontal displacement ,is not taken into consideration.When the seismic intensity in vertical direction takes a high ratio ,it is hard to accurately estimate the maximum displacement demands on structure by the traditional Pushover method.Hence ,the paper aims at making improvement on the traditional one.Firstly ,the inertial force caused by vertical earthquake is en forced on structure according to certain means.Then ,the multi 2m ode Pushover analysis procedures are applied in the horizontal direction of structure ,and the maximum displacement demand is calculated on the ground of SRSS method.A multistory concrete frame is applied to testify this theory.The data shows that ,using the improved method ,the numerical results of floor displacement and story drift ratio are well agreed with the results from nonlinear time 2history analysis ,which dem onstrated that the improved method is of high accuracy. K eyw ords :vertical earthquake ;pushover analysis ;vertical m ode ;displacement demands 3国家自然科学基金(50678064)和湖南省科技厅重点项目 (06F J3003)资助。 第一作者:尹犟,男,1975年10月出生,博士生。 E -mail :yinjiang2001@https://www.360docs.net/doc/ba6098591.html, 收稿日期:2009-01-20 0 引 言 地震工程的传统观点通常认为,竖向地震对结构的影响远小于水平地震。若取地震加速度记录中较大的一个水平分量为基数,其竖向分量峰值PG A 2 v 与水平峰值PG A 2h 之比仅为1Π2～1Π3左右 [1] 。然 而,近几十年来国内外发生的多次强震表明,竖向地震的强度也能达到十分可观的程度 [2-5] 。如:美国 Im perial Valley 1979、Loma Prieta 1989、Northridge1994 及台湾Chichi 1999地震中均曾测得PG A 2v ΠPG A 2h 大于1的地面运动纪录。不仅如此,同期震害调查也显示,某些强震中结构物的破坏的确存在着竖向地震作用的明显痕迹 [6-8] 。如:1985年四川自贡418 级地震,震中区多层砖房破坏严重,震害主要表现为随处可见的水平横缝和环缝,由水平地震引起的典型破坏特征(剪切斜裂缝及X 裂缝)则很少出现; 1995年日本神户地区712级地震中,许多7～8层混 凝土框架结构房屋破坏严重,震害主要表现为3～4 层部位混凝土框架柱纵向钢筋受压屈服,混凝土被压碎,底层柱的破坏程度却相对较轻,以上震害现象均被视为竖向地震作用导致结构破坏的典型案例。 作为一种结构非线性反应的简化分析方法,Pushover Analysis 以其相对较高的精度、简单的工作量及广泛的适用性受到各国学者的普遍关注并得到 广泛应用[10-14] 。目前,Pushover 分析大都仅考虑水平方向的地震作用。然而有研究表明,当竖向分量在地面运动加速度过程中所占比例相对较大时,竖 9 3Industrial C onstruction V ol 139,N o 15,2009 工业建筑 2009年第39卷第5期SAP2000之Pushover分析
超限高层建筑结构基于性能抗震设计
高层建筑结构Pushover分析方法的研究现状及改进设想
试验设计方法
PUSHOVER分析
基于性能的抗震设计
上海中心抗震设计研究
SAP2000之Pushover分析
基于性能的空间结构抗震设计研究现状与关键问题_张毅刚
PUSHOVER方法
静力弹塑性分析(Pushover分析)两种方法剖析
静力弹塑性分析_PushoverAnalysis_的基本原理和计算实例
基于抗震性能设计简介 (技术处 徐永基)2012年10月29日
考虑竖向地震效应的模态Pushover分析方法