前言:想要写出一篇令人眼前一亮的文章吗?我们特意为您整理了5篇地震的总结和建议范文,相信会为您的写作带来帮助,发现更多的写作思路和灵感。
抗震设计思想大体经历了静力理论分析阶段、反应谱理论阶段以及动力理论阶段,三个阶段的发展并没有严格的分界点,而是相互联系、相互渗透的。静力理论阶段中应用的是基于承载力的抗震设计方法,它假定在地震作用下的结构是刚性的,建筑物上任一点的加速度都等于地震加速度。这种理论没有考虑到结构的动力特性,设计方法比较粗略。
到了1943年,美国的Biot教授提出了弹性反应谱的概念,反应谱是指按地震波作用在单质点体系上时,求得的位移、速度或加速度等反应的最大值与单质点体系自振周期间的关系。反应谱理论考虑了自振周期、振型和阻尼等动力特性以及共振效应,考虑到了结构在地震作用下的变形。至今它仍然是各国规范设计地震作用取值的基础。动力法把地震作为一个时间过程,将建筑物简化为多自由度体系,选择能反映地震和场地环境以及结构特点要求的地震加速度时程作为地震动输人,计算出每一时刻建筑物的地震反应。鉴于其优点,我国抗震规范[lj规定在计算结构罕遇地震作用下的弹塑性变形时可采用此方法。
新的抗震理论是基于对现有地震资料的总结的基础上提出的。1989年美国发生的I碑omaPrieta地震和台湾的集集地震等给人类带来了巨大的经济损失和社会灾难。这促使理论界和工程界对现行理论进行了反思。上世纪90年代初,由美国学者闭率先提出了基于位移的抗震设计理论,这种理论最早应用于桥梁设计中,并取得了一定的成果。此后,美国加州工程师协会等机构以报告的形式提出了PBSI)的设计思想和相关的建议。我国学者对基于功能的设计理论也进行了深人研究。同济大学、清华大学等院校的学者取得了一定的成绩[5,们,为PBSD的推广和发展作出了重要的贡献。
2PBSD的特点
目前,世界各国主要采用两水准或是三水准设防的设计思想,不同的是各国在对结构弹塑性的考虑上根据各国的实际情况对弹性反应谱的折减有所不同。
3甚于结构性能的抗越设计理论的主要内容
基于结构性能的抗震设计理论的主要内容应包括确定地震设防水准、结构性能水准、结构抗震性能目标、结构抗震分析和设计方法等方面。
3.1地震设防水准
地震设防水准是指工程设计中如何根据客观的设防环境和已定的设防目标,并考虑具体的社会经济条件来确定采用多大的设防参数。我国现行规范采用“三水准”的地震设防水准。它的问题在于虽然考虑了基于性能理论中的多级设防水准,但是由于第一和第二水准的重现期和超越概率相差很大,那么在处于二者中间的重现期和超越概率的房屋设计就变得不经济或者是不安全。美国加州结构工程师协会的放眼二十一世纪委员会建议采用新的地震设防水准[2〕。
3.2结构性能水准
结构性能水准是指结构在特定的某一级地震设防水准下预期损伤的最大程度。2004年,我国研究机构和学者在积累总结以往世界各国的大震经验的基础上,参考了相关外国文献,结合本国的实际情况,编写了《建筑工程抗震设计性态通则(试用)广〕。《通则》对结构性能水准提出了新的建议,这表明我国在考虑结构性能水准上从原来的定性考虑逐渐向定量考虑过渡,其发展的方向将逐渐与国际接轨。但是,该《通则》所建议采用的结构性能水准仍然没有对结构或者构件的具体力学指标以及具体设备的运行情况给出明确的说明,只给出了一般性的建议。按照美国联邦紧急救援署提供的资料建议,基于性能的抗震研究可以采用四个性能水准:水准1基本完好:无永久侧移;结构基本保持原有强度和刚度;结构构件以及非结构构件基本不损坏。所有重要设备仍正常工作。水准2,轻微破坏:无永久侧移;结构基本保持原有强度和刚度;结构构件与非结构构件有轻微破坏。电梯能够重新启动,防火措施得力。水准3,生命安全:所有楼层都有残留强度和刚度;承受重力荷载的构件仍起作用;不发生墙体平面外失效或女儿墙倒塌;有永久侧移。隔墙破坏,建筑修复费用可能很高。水准4,不倒塌:几乎没有残留刚度和强度;但承受荷载的柱子和墙体仍起作用;有大的永久侧移。每个性能水准都对应了具体的控制指标,如:结构的侧移、刚度、强度,结构和非结构构件的损伤情况,设备的运行情况[4J。
3.3结构抗震性能目标
结构性能目标是针对某一级地震设防水准而期望建筑物能够达到的性能水准或等级。性能目标的建立需要综合考虑人员居住情况、场地效应、结构功能与重要性、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,社会公众的反应以及业主的承受能力。它是抗震设防水准与结构性能水准的综合反应。加州工程师协会的VisionZo00报告建议将结构性能目标划分为3个等级(基本目标、重要目标、最高目标)[2〕。
3.4基于性能的结构抗震设计方法
基于性能的抗震设计方法自提出以来,在国内外都受到广泛重视和研究。但是怎样把基于性能的抗震设计思想合理并且简单有效地应用到实际设计中,目前尚无统一方法和标准。目前,基于性能的抗震设计方法主要有承载力设计方法、基于位移的抗展设计方法、能量设计法。
当前,基于承载力的设计方法被世界各国规范所采用。以我国为例,它的设计思想是:第一阶段:对于一般结构在中、小地震作用下采用弹性计算方法,可根据结构的具体情况采用底部剪力法或者是振型分解反应谱法计算地展力,并与其他荷载通过分项系数法进行组合,计算截面的承载力和构件的配筋,对于较高的建筑物还要控制其侧向变形。第二阶段:对于有特殊要求的结构采用弹塑性计算方法。可根据结构的具体情况采用简化的计算方法、静力弹塑性分析法或者是弹塑性时程分析方法,验算其基本烈度相对应的罕遇烈度地展作用下结构的弹塑性层间变形是否满足规范要求,防止机构由于薄弱部位产生的弹塑性变形,导致结构构件破坏甚至引起房屋倒塌。
基于位移的设计方法是基于性能设计理论推荐的配套设计方法。它以位移为设计起点,以层间位移或者其他变形作为抗震设计的控制因素,进行结构的截面设计和配筋,这与传统的基于承载力的设计方法在设计顺序和控制因素的选取上有很大的区别,这也说明了该方法的出发点更接近于地震作用下结构的实际运行状态。能量法最初是由Housner于上世纪50年代末提出。它的基本假设是:结构的总体破坏是由于地展输人的总能量造成的,结构及内部设施的破坏程度是由地展输人的能量和结构消耗的能量共同决定的。该方法的优点在于能够直接估计结构的破损状态,但是由于在参数的选取、能量的计算方法等方面没有一个确定的、合理的标准,所以这种方法还有待深人的研究。
4结束语
PBSD的出现是世界抗展史上一个新的里程碑,它真正达到了多级设防目标并考虑了具体量化的设防水准,其设计方法更加贴近于结构在地震作用下的真实表现,可以满足社会、业主等不同需求,为理论界和工程界提供了一种新的研究和设计理念。当前,各国研究机构和学者对PBSD的研究都没有完全脱离现有规范而单纯做PBSD的研究,这是因为:
(1)现有理论本身考虑了基于性能的设计。
(2)现有理论建立在大量的地震观测记录的基础上,贴近于工程实际。
关键词:页岩气 勘探开发 现状 建议
随着世界经济发展对油气需求的不断增加,常规油气资源已不能满足这种需求的快速增长,人们纷纷把目光转向非常规油气资源。非常规油气资源以其储量巨大、分布集中、开发技术日趋进步等特点成为世界石油市场的新宠。非常规油气资源是指不能用常规的方法和技术手段进行勘探开发的另一类资源,其埋藏、赋存状态与常规油气资源有较大的差别,开发难度大、费用高。作为重要的非常规油气的页岩气引起了高度的重视。
一、页岩气资源勘探开发现状
2006年全国油页岩资源评价结果表明,我国页岩油地质资源量为476.44×108T,居世界第二位。主要分布在东部区、青藏区和中部区。页岩油探明储量为20×108T,主要分布在吉林、广东、辽宁等省。我国油砂资源量为59.7×108T,主要分布在陆上西部和东部盆地,重点分布在准噶尔、柴达木、松辽、鄂尔多斯、塔里木、四川等盆地中。11个主要盆地占全国油砂地质资源总量的97.6%,可采资源总量的97.5%。全国煤层气总资源量为36.8×1012m3,居世界第三位,其中1000m以浅的煤层气可采资源量为6.27×1012m3。资源量大于1×1012m3的8个盆地合计煤层气资源量为28×1012m3,占总资源量的76%。我国页岩气资源潜力也十分巨大,据统计,页岩气的远景资源量可达100×1012m3,相当于常规天然气资源量的两倍,主要分布在四川盆地。我国致密砂岩气资源量约为12×1012m3,部分与常规气存在着交叉。从我国国情出发,积极发展油页岩资源的勘探开发,可以弥补油气资源供应的不足。
二、页岩气资源勘探开发难题
当前我国页岩气资源的勘探开发尚处于初级阶段,没有系统的认识,没有系统的配套技术,面临着诸多经济上和技术上的困难和问题。这些难题主要体现在以下方面:
1.页岩气地质条件具有复杂性和特殊性非常规油气藏成藏条件复杂,储层致密,非均质性强,不同类型资源各具特点。油页岩和致密砂岩属于低渗透储层,渗透率极低。煤层气储层具有含气非均质性强、渗透率低、储层压力低、含气饱和度低等特点。
2.部分开发技术适用性差,不成熟目前非常规油气的开发主要借鉴常规油气的经验,尚未形成独特的技术。对于压裂增产施工过程中裂缝形成机理还不清楚,需要进一步研究。另外,还存在分支井钻井失败率高,未进行过油页岩原位开采技术现场试验,地球物理勘探技术很难对油砂层进行识别等难题。
3.综合利用效率低,环境污染严重在油砂、油页岩的开发利用过程中,产生的三废(废水、废气、废渣)有可能对环境造成极大的影响,目前还没有提出有力的应对措施。
三、页岩气资源勘探开发的几点建议
页岩气资源的勘探开发是很重要的,可以从下面的方面来研究:开展页岩层系地震属性分析,探索页岩层系含气性检测技术。以储层测井响应特征分析和地震应特征研究为基础,借鉴国内外页岩气层预测的技术方法,充分利用成熟的地震储层预测技术,开展测井分析-地震(包括地震反演和属性提取)-地质解释三位一体的研究,进行页岩层系的识别和含气性检测。
1.利用相关地区已有钻井资料、电测井资料和VSP测井资料进行古生界泥、页岩层系地球物理特征统计分析,确定研究区内古生界泥页岩层系的测井响应特征、组合特征及物性变化特征;并完成目的层页岩层系在地震资料上的层位精确标定和各类地震属性标定。
2.通过测井曲线地质解释及地震资料多属性的提取分析,研究地震属性(振幅、频率、相位及衍生信息等)对页岩层系的响应特征,总结前人在页岩层系方面进行地震特殊处理的成功经验和有效地震属性提取方法,进一步优化研究区页岩层系地震识别及预测方法。
3.采用测井约束波阻抗反演,选择最适合地区页岩层系地质特征、资料密度和品质的地震波阻抗反演方法,对研究区主要目的层进行波阻抗反演,研究泥页岩层系波阻抗变化特征;结合钻井资料对有利泥页岩层系进行识别并预测其平面分布范围。
4.利用已钻井资料,研究含气泥页岩层系的地球物理响应特征,即研究各类地震属性(振幅、波阻抗、频率等)对泥页岩层系含气的敏感性,并总结出泥页岩层系含气性检测方法。
5.综合评价泥页岩层系预测及含气性检测结果,确定良好页岩气的分布范围,并提出勘探部署建议。
四、非常规油气勘探开发的方向
实现我国非常规油气资源对常规能源的替代还需要开展大量的工作。对非常规油气资源的勘探开发工作要抱有一种正确认识,不断改善措施,采取坚持不懈的工作态度,不能见低产就放弃,相信只要坚持就能有改变。针对非常规油气的勘探开发应该形成配套方法,面对不同的问题必须采取必要的措施:
1.发展特色技术,开发难采资源
非常规油气具有储层渗透率低,非均质性强的特点。不同地区储层差异性较大,国外的一些开发技术和经验不能完全适应中国的地质特点。因此必须研发适合我国油气储层特点的开发技术。
2.创新地质理论,找到优质资源
针对不同非常规油气的成藏(成矿)特点及储层特征,研究其不同的富集成藏(成矿)主控因素,通过科学合理的储层评价技术,优选出高产富集有利区。
3.优化改进现有工艺技术,取得新效果
国内现有的非常规油气开发勘探开发技术多借鉴了常规油气经验或引进国外技术,成本相对较高、适用性较差,优化改进现有工艺技术,研发低成本、低污染,适合于不同储层地质条件的技术,十分重要和必要。
4.转变理念,加速非常规油气资源开发
对已有地质资料进行分析,寻找非常规油气高产富集区、优质资源区进行先导开发试验。在开发过程中,不断总结规律,改进已有工艺技术,创新技术理论,解决非常规油气勘探开发方面所遇到的问题。
关键词:钢筋混凝土结构;设计;承载
中图分类号: TU375 文献标识码: A 文章编号:
引言
改革开放以来,我国的建筑行业经历了一次次质的飞跃,尤其是在上个世纪九十年代至今,中国的房地产业异军突起,一栋又一栋的高楼在城市拔地而起。而随着近年来城市美化运动的不断兴起,城市在新建建筑和旧有建筑改造方面越来越多的选择了一些比较新颖的建筑形式,工程设计正在变得越来越复杂。在所有的现代建筑中,钢筋混凝土结构可以说是使用最为广泛的结构形式。钢筋混凝土结构是指用配有钢筋增强的混凝土制成的结构。承重的主要构件是用钢筋混凝土建造的包括薄壳结构、大模板现浇结构及使用滑模、升板等建造的钢筋混凝土结构的建筑物。其中钢筋用于承受拉力,混凝土则用于承受压力。相比于其他的建筑形式,钢筋混凝土具有坚固、耐久、防火性能好、比钢结构节省钢材和成本低等优点,因而得到了广泛的使用。但是在现代建筑设计越来越高的不断要求下,钢筋混凝土结构的设计中应该怎样做好相关的工作呢?下面本文就结合在设计工作中所总结出的一些经验,将其中一些问题及处理方法归纳如下,具有一定的理论指导意义。
1关于桩筏基础设计中对于筏板厚度的取值问题
桩筏基础设计是建筑的基础部分,但是由于很多设计人员往往经验不足,因此在桩筏基础设计容易出现种种问题,造成成本的增加,最常见的是对于筏板厚度取值的不准确。在实际设计中,我们一般是先按建筑层数估算筏板厚度,常规是按层数×50mm来估算。例如一幢十八层的小高层住宅,我们则先按18×50=900mm设定筏板厚,然后再根据排桩情况,分别验算角桩冲切,边桩冲切及墙冲切,群桩冲切。一般情况均为角桩冲切来控制板厚,但这里主要强调一个短肢剪力墙结构下的群桩冲切,短肢剪力墙结构由于墙体不封闭,故取值群桩冲切边界时有相当大的困难,而群桩冲切由于桩群重叠面积较大,应是一种不利状态。因此,一般建议是取值几个大层间近似作为冲切边界,所围区域内短肢墙体内力则作为抗力抵消,虽不完全准确,但区域放大后,边界的开口效应有所削弱,是可行的。
2关于强柱弱梁的设计理念
强柱弱梁的概念主要是针对小震不坏,中震可修,大震不倒的抗震设防目标而提出的。柱破坏了建筑物整个都会倾覆,而梁破坏则仅是某个区域失效,因此,柱较之梁破坏的损害更大,当前我们的经济已高速发展,我们结构设计人员在设计中一定要将这一概念设计贯彻下去。必须严格控制柱轴压比,笔者认为轴压比在任何情况下均不宜超过0.9%,且我们对柱断面及配筋设置时应分部位处理,建议边柱,角柱应适当加强,特别是角柱,建议应全柱加密箍筋,且配筋率不宜小于1%,所有框架柱,不包括小截面柱,建议纵筋均应大于20,且柱筋品种不宜过多,矩形截面柱尽可能对称配筋。而对梁配筋则建议应配足梁中部筋,而支座筋则可通过调幅让其适当降低,以使地震作用下能形成梁铰机制,防止柱先于梁屈服,使梁端能首先产生塑性铰,保证柱端的实际受弯承载力大于梁端的实际受弯承载力。
3抗震设计的问题
(1)抗震设计的基点结构。抗震设计的基点是强度和延性。人们现在已经认识到可以利用钢筋混凝土结构屈服后的非弹性变形来抵抗地震,也就是将强度和延性两者相结合来抵抗地震。为保证结构的抗震能力,对结构设计而言,如果我们给结构设定较低的承载力水准,相应地就要求结构具有较高的延性水准;如果我们给结构设定较高的承载力水准,则结构需要的延性水准就可以较低。
(2)能力设计法。能力设计法的基本思想为:为了使抗震钢筋混凝土结构在地震中形成所追求的“梁铰机构”或“梁柱铰机构”,就需要把不希望出现塑性铰或不希望先出现塑性铰(也就是不希望塑性转动过大)的部位的抗弯能力相对增强;为了不致在结构表现出所需的延性之前在结构的任何部位出现几乎没有延性的剪切失效,也需要相对增强各有关部位的抗剪能力;还需要采取必要的措施使可能形成塑性铰的部位具有足够的延性能力和必要的耗能能力。
4框剪结构设计的问题
框剪结构的连梁设计很重要,但我们看到,目前很多设计在这个环节上做的并不好。有的是因为重视不够,有的是应为认识不足。现在我把我在这方面的经验简单介绍一下。首先,什么是连梁呢?简单的说,就是那些连接两片剪力墙,当遇到中震或大震时,它会首先开裂,起到耗能作用,从而使建筑物保持一定延性的梁。只有满足了这种情况,才是连梁,或者说我们才有意义把它按连梁进行设计。根据它的特性,我们就应该设计时注意几点,第一,不要盲目地增大它抗弯的能力,否则会使连梁延迟破坏,起不到及时耗能的作用,致使其他重要构件破坏,使结构失去延性。第二,我国现行结构规范中规定,连梁上不许搭框架梁。我觉得这句话说得不严谨,更准确的定义应该是,不准搭重要的竖向承重构件。因为我们设计连梁会在遇到中震或大震时,首先开裂,所以它的抗剪能力也会急剧下降,如果此时它还承受着很大的竖向荷载,就会引起连锁破坏。
结束语
钢筋混凝土结构作为使用最广泛的结构形式,其设计工作贯穿于国内的各个行业建设当中,面临的情况也是复杂多变,而且可以预见,随着今后建筑样式的不断推陈出新,在设计上的难度要求也必然是越来越高的。所以,广大设计人员一定要从心底里对其保持足够的重视,哪怕是一个小小的遗漏或错误都有可能造成建筑工程的失败,严重者会导致人民的生命财产安全遭受损失,所以必须要不断的总结、不断的检验、不断的创新,才能让这种建筑结构形式更好的发挥其应用,也让我们的建筑设计走向世界前列。
参考文献
[1]张涛,于洪斌.论钢筋混凝土高层结构设计常见问题[J].才智.2010(08)
[2]王小平.钢筋混凝土高层结构设计常见问题浅析[J].中国高新技术企业.2009(13)
关键词:结构抗震基于性能抗震设计方法
中图分类号:U452.2+8 文献标识码:A 文章编号:
地震灾害是一种常见并且多发的自然灾害现象,它是人类面临的主要灾害之一。地震的发生具有随机性和偶然性的特点,其发生的时间和空间、强度和持续的时间等均不确定。随着大量的震害分析和工程抗震理论及实践经验的积累,人们对工程抗震的认识不断深入,并且基于目前的抗震设计思想采取了相应的抗震措施,在正常设计的情况下能够做到在一定程度上保障结构在遭遇高于预期地震的情况下不至于瞬间倒塌,其抗震设防的目标尚局限在基本保障人员安全的水准内,但其破坏没有得到有效的控制,震后的人员和财产损失是巨大的,往往超过了社会所能承受的范围。由于地震和地面运动有很大的不确定性,结构在其有效使用期限内可能遭遇预期强度等级的地震,也有可能遭遇远远大于预期强度等级的地震,如何确定符合经济社会发展的抗震设防目标、并采取行之有效抗震设计方法保证设防目标的实现,进而有效的控制地震灾害发生的范围和程度,是地震学界和工程抗震界亟需解决的问题。
目前国内外工程界,在结构抗震设计实践中,传统的结构抗震思想和手段,有其明显的局限性,其可靠水准不能与现代社会发展的需求相适应。在此背景下,基于性能的抗震设计被提出和广泛研究,并被认为是未来房屋建筑抗震设计的主要发展方向和建筑抗震设计规范的主要指导思想。对结构采用多级性能水平和多级抗震设防目标的基于性能的抗震设计具有重要的理论意义和实用价值。
一、基于结构性能的抗震设计理论的主要内容
基于结构性能的抗震设计理论的主要内容应包括确定地震设防水准、结构性能水准、结构抗震性能目标、结构抗震分析和设计方法等方面。
1、地震设防水准
地震设防水准是指工程设计中如何根据客观的设防环境和已定的设防目标, 并考虑具体的社会经济条件来确定采用多大的设防参数。我国现行规范采用“ 三水准” 的地震设防水准。它的问题在于虽然考虑了基于性能理论中的多级设防水准, 但是由于第一和第二水准的重现期和超越概率相差很大, 那么在处于二者中间的重现期和超越概率的房屋设计就变得不经济或者是不安全。美国加州结构工程师协会的放眼二十一世纪委员会建议采用新的地震设防水准。
2、结构性能水准
结构性能水准是指结构在特定的某一级地震设防水准下预期损伤的最大程度。20 0 4 年, 我国研究机构和学者在积累总结以往世界各国的大震经验的基础上, 参考了相关外国文献, 结合本国的实际情况, 编写了《建筑工程抗震设计性态通则(试用)》。《通则》对结构性能水准提出了新的建议, 这表明我国在考虑结构性能水准上从原来的定性考虑逐渐向定量考虑过渡, 其发展的方向将逐渐与国际接轨。但是, 该《通则》所建议采用的结构性能水准仍然没有对结构或者构件的具体力学指标以及具体设备的运行情况给出明确的说明, 只给出了一般性的建议。
按照美国联邦紧急救援署提供的资料建议, 基于性能的抗震研究可以采用四个性能水准: 水准1 基本完好: 无永久侧移; 结构基本保持原有强度和刚度; 结构构件以及非结构构件基本不损坏。所有重要设备仍正常工作。水准2 , 轻微破坏: 无永久侧移; 结构基本保持原有强度和刚度; 结构构件与非结构构件有轻微破坏。电梯能够重新启动,防火措施得力。水准3 , 生命安全: 所有楼层都有残留强度和刚度; 承受重力荷载的构件仍起作用; 不发生墙体平面外失效或女儿墙倒塌; 有永久侧移。隔墙破坏,建筑修复费用可能很高。水准4 , 不倒塌: 几乎没有残留刚度和强度; 但承受荷载的柱子和墙体仍起作用; 有大的永久侧移。每个性能水准都对应了具体的控制指标, 如: 结构的侧移、刚度、强度, 结构和非结构构件的损伤情况, 设备的运行情况。
3、结构抗震性能目标
结构性能目标是针对某一级地震设防水准而期望建筑物能够达到的性能水准或等级。性能目标的建立需要综合考虑人员居住情况、场地效应、结构功能与重要性、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, 社会公众的反应以及业主的承受能力。它是抗震设防水准与结构性能水准的综合反应。
加州工程师协会的Vision2000报告建议将结构性能目标划分为3 个等级(基本目标、重要目标、最高目标)。
二、基于性能的抗震设计方法
1、性能抗震设计阶段
(1)概念设计。根据用途和业主的要求,合理确定设防目标,通过场地、建筑平面等进行初步设计。
(2)计算设计。根据预定的设防目标,计算出能影响各类因素的抗震参数,参数与预定目标不符要及时修改,直至满足参数需求。以基于位移的抗震性能设计为例,主要包括步骤有确定不同强度地震作用下性能目标;根据初步设计,确定结构内的位移的极限值;通过等效阻尼比等各类等效数值,确定等效刚度;设计采用必需的构造措施;评价结构强度要求和变形能力。以严谨、科学、合理的态度进行评估,如计算阶段有不符合,则需重复计算设计步骤,以不断完善结构设计。
(3)性能评估。通过各类的分析法得出设计结果来确定该建筑结构的性能。
2、性能抗震设计方法
基于性能的抗震设计方法自提出以来, 在国内外都受到广泛重视和研究, 对基于性能的抗震设计的主要理念和目标, 学术界也基本形成一致的认识. 但是怎样把基于性能的抗震设计思想合理并且简单有效地应用到实际设计中, 目前尚无统一方法和标准. 概括起来, 基于性能的抗震设计方法主要有承载能力设计方法、直接基于位移进行抗震设计方法、能量设计法.
(1)承载能力设计方法
这是我国规范现阶段采用的设计方法, 对于常遇地震, 利用反应谱计算底部剪力, 然后按一定规则分配至结构全高并与其它荷载组合, 进行结构的强度设计, 使结构各部分都具有足够的承载能力, 然后再进行变形验算. 承载能力设计方法的优点是易于使用, 性能概念清楚,细部设计可靠, 通过非线性静力分析验算, 进一步增强了对结构非线性反应的控制, 可以更好地达到预期性能目标; 缺点是该方法基于弹性反应, 对于非弹性反应仅用与结构类型有关的系数加以折减, 表面上它控制整个性能目标, 实际上却只是保证了一种性能目标.
(2)直接基于位移进行抗震设计
该方法采用结构位移作为结构性能指标, 与传统设计方法相比, 基于位移的抗震设计方法从根本上改变了设计过程. 主要的不同是, 该方法用位移作为整个抗震设计过程的起点, 假定位移或层间位移是结构抗震性能的控制因素. 设计时用位移控制, 通过设计位移谱得出在此位移时的结构有效周期, 求出此时结构的基底剪力, 进行结构分析, 并且进行具体配筋设计. 设计后用应力验算, 不足的时候用增大刚度而不是强度的方法来改进, 以位移目标为基准来配置结构构件. 该法考虑了位移在抗震性能中的重要地位,可以在设计初始就明确设计的结构性能水平, 并且使设计的结构性能正好达到目标性能水平, 是性能设计理论中很有前途的一种方法.
(3)能量法
假设结构破坏的原因是地震输入的总能量,地震对结构物及其内部设施的破坏是由其输入的能量与结构物所消耗的能量共同决定的. 能量设计法的优点就在于能够直接估计结构的潜在破坏程度, 对结构的滞回特性以及结构的非线性要求概念清楚. 另外, 耗能元件的设置可以更好地控制损失. 缺点在于应用方法不够简化, 不确定因素较多.
参考文献:
[1] 孙俊,刘铮,刘永芳. 工程结构基于性能的抗震设计方法研究[J]. 四川建筑科学研究, 2005,(03) .
[2] 沈章春,王全凤. 基于性能抗震设计理论与实用方法[J]. 四川建筑科学研究, 2008,(03) .
[3] 熊二刚,梁兴文,张倩. 钢框架结构基于位移的抗震设计方法[J]. 四川建筑科学研究, 2010,(03) .
[4] 杨叶,童申家,张思海,郭泽英. 安装粘滞阻尼器的RC框架结构静力非线性分析方法[J]. 四川建筑科学研究, 2010,(03) .
关键词:抗震设计,基于性能的抗震理论,性能水平,评价指标,基于位移的抗震设计
中图分类号:N0文献标识码:A文章编号:1672-3198(2008)07-0351-02
1 结构的抗震设计局限
由于地震和地面运动有很大的不确定性,导致结构在其使用期限内可能遭遇预期强度等级的地震,也有可能遭遇远远大于预期强度等级的地震,这就使结构工程师很难准确了解结构的抗震需求。当前,多数国家对结构抗震设计原则为:对于一般的工程结构,设计时以本区域内多遇地震作为结构弹性阶段承载力和变形验算依据,以保证结构在小震作用的结构正常使用功能;同时以大震作为结构在极限状态下的验算依据,以满足在结构在强震下不至于倒塌危及生命安全。虽然这种设计方法较为简单,设计结果较为经济,但也在某种局限了结构的抗震设计。首先,仅仅以正常使用状态和极限状态作为设计阶段,并不能保证结构在除此两状态之外的处于其它状态时的损伤程度和功能完整性,这就要求我们对结构的其它状态的性能水平进行更深入的研究。其次,这种设计仅仅要求结构满足基本的抗震设防目标,局限了业主对结构抗震方面提出更高的设防要求,安全度已与目前的经济和社会发展不符,故我们有必要对结构的设防目标进入更进一步的研究。因此,对结构采用多级性能水平和多级抗震设防目标的基于性能的抗震设计具有重要的理论意义和实用价值。
2 结构的地震反应分析了方法
自1899年日本学者大森房吉首次提出用于结构抗震设计的静力法以来,结构的地震反应分析方法经历了从静力法到动力的反应谱法和动力时程分析法这三个阶段的演变过程,在动力阶段中又可分为弹性与非弹性(非线性)两个阶段。根据所考虑的地震动特点,结构地震反应分析方法可以分为确定性方法和随机振动方法。确定性方法利用地震记录或由其他方法确定的地震波进行结构的地震反应计算,随机振动方法则把地震视为随机过程,把具有统计性质的地震动作用在结构上来求出结构的反应。到目前为止,国内外的抗震设计规范绝大多数都采用确定性方法,因此本文也仅考虑确定性方法。
由大森房吉提出的弹性静力法理论假设结构各个部分与地震动具有相同的振动,因此,地震力等于地面运动加速度与结构总质量的乘积;在大森房吉之后,佐野利器于1916年提出震度法,认为以结构10%的总重量作为水平地震力来考虑地震作用。该法把结构的动力反应特性这一重要因素忽略了,具有很大的局限性,只有当结构可近似地视为刚体时,该方法才适用。
由于缺乏对地震动特性的认识和结构振动分析理论的了解,基于动力学的地震反应分析理论一直未能得到发展;直到1930年之后,人们逐渐认识到地震动特性对确立合理的抗震设计方法的重要性,从1931年起,美国开始进行地震观测台网的布置,并在1940年Imperial Valley地震中成功地收集到了包括El-Centro地震记录在内的大量地震记录资料,为抗震动力学方法的发展提供了宝贵的资料。1943年,M.A.Biot提出了反应谱的概念,并给出了世界上第一条弹性反应谱曲线。G. W.Housner于1948年提出基于加速度反应谱曲线的弹性反应谱曲线,1956 年N.M.Newmark率先将该法应用于实际工程设计,并在实际地震中得到了验证,自1958年第一届世界地震工程会议之后,反应谱法被许多国家所接受,并逐渐被采纳应用到结构抗震设计规范中。我国1959年的抗震规范草案就采用了反应谱理论并在以后的各次规范修订中不断完善和发展。在弹性反应谱的概念提出不久之后,就提出了非线性反应谱的概念,试图将这一简单的概念应用于非线性地震反应分析中,目前,除新西兰抗震规范采用非线性反应谱以外,非线性反应谱基本没有直接得到应用。
动力时程分析方法是将地震动记录或人工地震波作用在结构上,直接对结构运动方程进行积分,求得结构任意时刻地震反应的分析方法,根据是否考虑结构的非线,该法义可分为线性动力时程分析和非线性动力时程分析两种。该方法是借助于强震台网收集到的地震记录和模拟电子计算机,于20世纪50年代末由美国的G. W.Housner提出的:日本于20世纪60年代初,在武藤清教授的领导下,也开始了这项研究工作。随着计算机的发展,该方法在国外于20世纪60、70年代得到了迅速的发展。我国于20世纪70年代末和80年代初在这方面开展了大量的研究工作。随着计算手段的不断发展和对结构地震反应认识的不断深入,该方法越来越受到重视,特别是对体系复杂结构的非线性地震反应,动力时程分析方法还是理论上唯一可行的分析方法,目前很多国家都将此方法列为规范采用的分析方法之一。
3 对性能的抗震设计的不同定义
“基于性能”一词源于英文Performance-based。基于性能的抗震设计(PBSD)理论是20世纪90年代由美国科学家和工程师首先提出的,最早应用于桥梁抗震设计中。基于性能抗震设计的基本思想是使被设计的建筑物在使用期间满足各种预定功能或性能目标要求。这一思想影响了美国、日本和欧洲地震工程界。各国同行表现出了极大的兴趣,纷纷展开多方面的研究。
SFAOC Vision 2000对PBSD的定义是“性能设计应该是选择一定的设计准则,恰当的结构形式、合理的规划和结构比例。保证建筑物的结构与非结构构件的细部构造设计,控制建造质量和长期维护水平,使得建筑物在遭受一定水准地震作用下,结构的损伤或破坏不超过某一特定的极限状态”。
ATC-40对PBSD的定义为“基于性能的抗震设计是指结构的设计准则由一系列可以实现的结构性能目标来表示,主要针对钢筋混凝土结构并且建议采用基于能力谱的设计原理”。显然,ATC-40建议使用能力谱方法对钢筋混凝土结构进行抗震设计。
FFMA 273和FFMA 274对PBSD的定义为基于不同设防水准地震作用,达到不同的性能目标。在分析和设计中采用弹性静力和弹塑性时程分析来实现一系列的性能水准,并且建议采用建筑物顶点位移来定义结构和非结构构件的性能水准,不同的结构形式采用不同的性能水准。而且FFMA273利用随机地震动概念提出了许多种性能目标.,适合于多级性能水准结构的分析与设计方法从线性静力延伸到弹塑性时程分析。
1995年的Kobe地震后,日本启动了“建筑结构现代工程开发”研究项目,对性能设计涉及的内容进行了概述;1996年,日本建筑标准法按照基于性能的要求进行了修订;1998年,日本的建筑标准法加入了能力谱方法。
我国一些学者也对PBSD进行了定义:“基于性能的结构抗震设计是指根据建筑物的重要性和用途确定其性能目标;根据不同的性能目标提出不同的抗震设防标准,使设计的建筑在未来地震中具备预期的功能。”
PBSD已成为近几年美国、日本、新西兰等国家在抗震方面的主要研究课题。美国学者认为,基于性能的抗震设计方法应该编成指南或规定,而不是规范提供给设计人员和业主,从现行的以保障生命安全为宗旨的抗震设计规范向基于性能的抗震设计规范的选择性设计规定的转变应该是“演进”而不是“革命”,其基本思想还可以通过每三年一次的规范修订融入现行规范中去。美国国际规范委员会(ICC) 1997年5月出版国际建筑规范2000 ( International Building Code. IBC)草案已强调了与性能要求有关的内容。近年来,基于性能的抗震设计思想及研究成果已经纳入美国大学本科生和研究生的结构抗震设计课程教学工作中,主要内容即以Vision2000为基础。日本也在多方资助下于1995年开始了为期3a的“新建筑结构体系开发”研究项目,成立了由国内著名学者参加的新建筑构造体系综合委员会。该委员会下设性能评价、目标水准和社会机构3个分委员会。为推进和协调这一项目的进程,还建立了“新构造体系促进会议”,讨论、规划和协调各方而的工作。英国等欧洲国家和智利等拉美国家也对PBSD开展了研究。1996年在中美抗震规范学术讨论会上也对PBSD进行了交流,提出了把PBSD引入到结构优化设计领域的概念。有学者建议,中国21世纪的抗震设计应顺应国际发展的趋势,发展适合于中国国情的PBSD。
4 目前国内外地震工程界学界对PBSD开展的研究工作
(1)多级性能水准的确定与统一。生命安全水准、结构损伤水准和确保使用功能水准为当前规范普遍接受的3级性能水准。生命安全水准要求建筑在罕遇地震作用下不倒塌;结构损伤水准要求建筑损伤控制在可修复的范围内;确保使用功能水准要求结构不产生影响建筑直接使用的变形等。PBSD要求细化这3级性能水准并建立相应的结构设计准则。
(2)多级地震设防水准的确定与统一:当前规范普遍采用3级性能水准所对应的最高设防水准。在建筑使用期内遭遇一次地震危险的水准和可能遭受多次地震危险的水准3级地震设防水准。PBSD同样要求细化这3级地震设防水准。
(3)可行的结构设计与分析方法:PT3SD要求建立适合于在多级水准地震作用下实现多级性能水准的结构设计与分析方法。
(4)结构安全性评估方法的完善:当前由静力推覆分析方法和能力谱分析方法结合形成的静力弹塑性方法被普遍用来评估罕遇地震作用下建筑的抗震性能。
基于性能的抗震研究是一个非常庞大和复杂的问题,就目前的发展水平,还存在以下问题需要进一步研究解决。
在结构性能方面,虽然提出了不同性能水平,但只是对结构和非结构性能的破坏程度的描述,对结构“不坏、可修、不倒”定义模糊,未给出明确的量化指标,是本文主要研究问题之一,有待进一步研究。
在结构多级性能目标方面,如何进一步考虑建筑场地特征和近震的影响,以及设防水平与震后重建时间、费用之间的定量关系。
对于高层建筑或沿高度侧向刚度有变化的建筑,采用何种目标侧移曲线,侧向力分布模式是否考虑高阶振型的影响,都需要作进一步深入的研究。
如何针对复杂的混合塑性铰分布破坏机制建立位移延性和曲率延性的转化关系,从而获得结构曲率延性需求,有待进一步研究。
参考文献
[1]SEAOC Vision2000 Committee.Performance-Based Seismic Engineering of Building[R].Report Prepared by Association of California,Sacramento,California,USA.1995.