[发明专利]基于性态谱谐函数的抗震设计方法

说明书

技术领域

本发明属于土木建筑设计工程领域，尤其涉及一种基于性态谱谐函数的抗震设计方法。

背景技术

自90年代初，基于性能的抗震设计方法提出后，成为国际抗震研究的前沿课题。美国加利福尼亚结构工程师学会于1992年成立放眼21世纪委员会(Vision 2000 Committee SEAOC)旨在建立新的结构性能设计体系的框架，其研究工作得到美国自然科学基金会和加州政府的有力资助(SEAOC-VISION2000.Performance Based Seismic Engineering of Buildings.April3，1995)。美国联邦紧急救援署(FEMA)和国家自然科学基金会(NSF)还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。日本也在多方资助下于1995年开始了为期三年的“新建筑结构体系开发”研究项目，成立了有国内著名学者参加的新建筑构造体系综合委员会，下设性能评价、目标水准和社会机构三个分委员会。为推进和协调这一项目进程，还建立了“新构造体系促进会议”，讨论、规划、协调各方面的工作。之后，欧洲国家、中国、新西兰、日本、智利等拉美国家也对这一课题进行了深入研究(Moehle J.P.Displacement-based Design of RC Structures.10WCEE，Mexico，1992：1576-1574；刘文锋，王段.基于位移目标的性态谱[J].工程力学，2012，29(10)：75-81。)

目前基于性能的抗震设计已是世界各国抗震设计规范的发展方向，FEMAP695(2009)、FEMA440(2005)、日本《建筑基准法》(2003)、Eurocode 8(2004)、美国建筑和设施的性能规范(2009)、中国抗震规范(2010)等国抗震规范都已开始采用基于性能的抗震设计。

基于性能的抗震设计本质是把握和控制大震、中震、小震结构的弹塑性行为。从地震反应谱探究结构弹塑性行为是抗震研究的一个重要方面，也是基于性能的抗震设计的重要工具。60年代至70年代，Veletos，Newmark和Hall(Newmark N M and Hall W J.Earthquake Spectra and Design[R].Earthquake Engineering Research Institute，University of California at Berkeley，1982；A.S.Veletos，N.M.Newmark.Effect of Inelastic Behavior on the Response of Simple Systems to Earthquake Motion，2WCEE[M]，1960：895-912；N.M.Newmark，W.J.Hall，A Rational Approach of Seismic Design Standards for Structures，5^thWCEE[M]，1975：2266-2277；N.M.Newmark，The trend of Seismic Analysis and Design for tall building.Earthquake Engineering[M]，Beijing：Science Press.1978。)提出了估计地震动的线性反应谱和非线性反应谱的方法。王前信(王前信等.弹塑性反应谱.地震工程研究报告集[R]，第二集，北京：科学出版社，1965。)提出弹塑性抗震设计应以最大位移反应为依据并补充考虑能量反应的设计的想法，并建议考虑体系进入塑性时设计加速度应以体系的延性系数进行折减。80年代，我国对延性谱和位移比谱的研究较为活跃，陈聃(陈聘.抗震结构的延性谱.清华大学抗震抗爆工程研究报告集[R]，清华大学出版社，1980；Chen Dan.Ductility Spectra and Collapse Spectra for Earthquake Resistant Structures，Proc.7^thEuropean Conference on Earthquake Engineering[R]，1982)等人研究的延性谱是以延性系数为谱坐标，提出了反映地震对结构强度及延性两方面要求及这两者相互关系的非线性反应谱。90年代初，基于性能的抗震设计方法提出后，静力分析方法成为基于性能的抗震设计的主要方法，以Fajfar(Fajfar.P.and Fischinger.M.Earthquake Design Spectra Considering Duration Of Ground Motion，Proc.4^thU.S.NCEE.May，1990，Palm，springs，Cailfornia，Vol.2，15-24；Peter.fajfar，Tomaz Vidic，Consistent Inelastic Design Spectra：Hysteretic and Input Energy，EESD，Vol.23.1994：523-537；Tolis SV and Faccioli E.Displacement Design Spectra[J].Journal of Earthquake Engineering，Vol.3(1).1999：107-125；Krawinkler H，Nassar AA.Seismic design based on ductility and cumulative damage demands and capacities.In：Fajfa P，Krawinkler H，editors.Nonlinear seismic analysis and design of RC buildings.Elsevier；1992.p.23-39.)等人的研究最为典型，他们的研究大多采用力降低系数，性能系数或延性折减系数对弹性反应谱进行折减，从而直接得到弹塑性反应谱。Krawinkler和Nassar(Peter.fajfar，Tomaz Vidic，Consistent Inelastic Design Spectra：Hysteretic and Input Energy，EESD，Vol.23.1994：523-537.)、Jean和Loh(Jean W-Y，Loh C-H.Seismic demand for SDOF system based on structural damage control concept.In：Proceedings of the sixth East Asia-Pacific conference on structural engineering and construction，Taipei，Taiwan，1998：1633-1638.)等人也通过等延性方法来得到弹塑性反应谱。90年代后期，Chopra(Chopra A.K，Goel R.K.Capacity-Demand-Diagram Method for Estimating Seismic Deformation of Inelastic Structures.University of California，Berkeley，Report No.PEER-1999/0，1999)的改进能力谱法是将弹性反应谱折减为弹塑性反应谱，并转化为需求谱的形式，不同的延性比对应着不同的需求曲线。2004年、2009年，徐龙军、谢礼立、郭晓云、翟长海等人(徐龙军，谢礼立.双规准化地震动加速度反应谱研究.地震工程与工程振动，2004，24(2)：1-6；郭晓云，翟长海，谢礼立.地震动双规准速度反应谱研究.地震工程与工程振动，2009，29(3)：9-14.)提出了双规准化地震动加速度、速度反应谱，双规准化消除了地震动强度对反应谱谱值的影响和卓越周期对反应谱形状的影响，2008年、2010年、2012年，刘文锋、王段、傅兴潘、陈贡联(刘文锋，王段.基于位移目标的性态谱[J].工程力学，2012，29(10)：75-81；刘文锋，陈贡联.结构抗震性态谱的确定方法[J].工程力学，2008，25(2)：160-167；]Wenfeng Liu，Xingpan Fu.Seismic Performance Spectra[J].Advanced Materials Research 2011，Vols.163-167：443-453.)建立了抗震性态谱，性态谱是根据性能目标，将地震记录输入到不同自振周期的结构，在三维坐标中，建立了地震需求(最大地震加速度的统计平均值)和结构周期、弹塑性状态的函数关系，可预测达到性能目标的地震需求。将性态谱采用谐函数表达，输入到结构运动微分方程，进行结构的时程分析，完成抗震设计，世界尚不存在。