1、结构抗震损伤机制控制与设计方法结构抗震损伤机制控制与设计方法屈服屈服倒塌倒塌 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在有损阶段的抗震性能 明确结构体系的极限状态明确结构体系的极限状态 减小结构地震反应的离散性减小结构地震反应的离散性 通过功能分化提高抗震性能通过功能分化提高抗震性能 结构体系层次的创新与发展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提高实用结构地震损伤分析方法的精度损伤机制控制的发展损伤机制控制的发展Villaverde(1991)神户地震（神户地震（1995）剪力墙体系剪力墙体系各层连梁逐渐屈服墙底最终屈服Mahin et
2、 al 19751972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钢筋混凝土核心筒的四个L形井筒连形井筒连梁因管道孔洞削弱，连梁发生脆性剪梁因管道孔洞削弱，连梁发生脆性剪切破坏，剪力墙没有明显损伤。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生延性损伤，则还可以有效降低结构的地震响应。的地震响应。Mahin等建议联肢剪力等建议联肢剪力墙体系的损伤机制为：连梁逐步屈服墙体系的损伤机制为：连梁逐步屈服剪力墙底部破坏。剪力墙底部破坏。剪力墙体系剪力墙体系1972年尼加拉瓜马那瓜地
3、震中的美洲银行仅在连梁处发生比较严重的结构损伤双连梁双连梁小剪跨比连梁剪切破坏小剪跨比连梁剪切破坏剪力墙体系剪力墙体系剪力墙体系剪力墙体系连梁跨高比连梁跨高比3.3连梁跨高比连梁跨高比2.0剪力墙体系剪力墙体系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，都是在框架结构、剪力墙结构或框剪结构，都是在“结构构件结构构件”中设中设置预期损伤部位。这些构件具有双重功能：置预期损伤部位。这些构件具有双重功能：结构受力结构受力+损伤耗损伤耗能；两者往往难以统一。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随着抗震结构体系的不断发展，逐渐出现了专门
4、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。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。支撑体系支撑体系壁谷澤壁谷澤 寿海寿海 等等(2008)Wada et al(1992)：“Damage Tolerant Structure”位于东京的位于东京的三栋高层钢三栋高层钢结构办公室结构办公室摇摆体系摇摆体系摇摆体系摇摆体系拆除拆除加固加固抗震能力系数抗震能力系数Is东京工业大学东京工业大学G3教学楼教学楼 建于建于1979年年 11层钢骨混凝土框架结构层钢骨混凝土
5、框架结构经抗震鉴定，需要立即加固经抗震鉴定，需要立即加固摇摆体系摇摆体系不同结构体系的预期损伤机制控制不同结构体系的预期损伤机制控制梁端、底层柱脚梁端、底层柱脚连梁连梁支撑支撑摇摆界面摇摆界面隔震层隔震层 抗震结构体系的损伤机制越来越明确，越来越易于控制抗震结构体系的损伤机制越来越明确，越来越易于控制 损伤前对结构整体的抗侧刚度有较大的贡献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：抗震损伤机制控制的基本原则：控
6、制结构的损伤变形机制控制结构的损伤变形机制合理确定预期损伤部位合理确定预期损伤部位FEMA P-750/2009抗震损伤机制控制抗震损伤机制控制损伤机制控制的设计损伤机制控制的设计 体系设计体系设计合理的预期损伤机制合理的预期损伤机制 预期损伤部位预期损伤部位 需求分析需求分析构件的抗震能力需求构件的抗震能力需求 承载力需求承载力需求 变形能力需求变形能力需求 耗能需求耗能需求构件设计构件设计保证构件的抗震能力保证构件的抗震能力大于其需求大于其需求等代结构法等代结构法 单自由度等价线性化模型单自由度等价线性化模型割线刚度模型割线刚度模型非割线刚度模型非割线刚度模型as14WE maxeq0ma
7、x1uskku duu maxeq0max1uWW u duueq0111kk 单自由度等价线性化模型单自由度等价线性化模型割线刚度模型割线刚度模型非割线刚度模型非割线刚度模型高估等价刚度高估等价刚度低估等价阻尼比低估等价阻尼比低估等价刚度低估等价刚度高估等价阻尼比高估等价阻尼比 单自由度等价线性化模型单自由度等价线性化模型eqs14WEJacobsen(1930)eq0111kkeq0111eq10.2 10.02Kowalsky(1994)Gulkan et al(1974)20.939eq010.1211kk0.371eq00.05871Iwan(1979)Kwan et al（2003
8、）10eq20.8Ckk11222eq02210.80.55 0.8CCC割线刚度模型割线刚度模型非割线刚度模型非割线刚度模型 进一步考虑进一步考虑不同滞回模型的影响不同滞回模型的影响结构自振周期的影响结构自振周期的影响 单自由度等价线性化模型单自由度等价线性化模型eqs14WEJacobsen(1930)eq0111kkeq0111eq10.2 10.02Kowalsky(1994)Gulkan et al(1974)20.939eq010.1211kk0.371eq00.05871Iwan(1979)Kwan et al（2003）10eq20.8Ckk11222eq02210.80.55
9、 0.8CCC割线刚度模型割线刚度模型非割线刚度模型非割线刚度模型 等价阻尼比的统计分析等价阻尼比的统计分析典型滞回模型典型滞回模型弹塑性模型弹塑性模型(EP)峰值指向型峰值指向型(PO)滑移型滑移型(SL)原点指向型原点指向型(OO)等价阻尼比的计算方法等价阻尼比的计算方法非线性非线性SDOF的最大位移的最大位移unl得到延性系数得到延性系数 计算割线刚度计算割线刚度keq计算最大位移计算最大位移ueq假设等价阻尼比假设等价阻尼比 equeq=unl?OK是是否否地震记录地震记录：EQ-218中的中的436条水平地震记录条水平地震记录延性系数延性系数：2.0，4.0，6.0，8.0屈服后刚度
10、系数屈服后刚度系数：0.00，0.02，0.05，0.10自振周期自振周期T：0.16.0s 建议模型建议模型eq01 12110.10.11611610,1.090.21.20.2,1.0TTTTT通过对分析结果进行回归分析，得到通过对分析结果进行回归分析，得到 0.1，1，6随随滞回模型滞回模型、延性系数延性系数 和和屈服后刚度系数屈服后刚度系数 的变化规律及相的变化规律及相应的表达公式应的表达公式 模型比较模型比较 相对误差平均值相对误差平均值IwanKowalskyKwan建议模型建议模型 割割线线刚刚度度模模型型 模型比较模型比较 相对误差的标准差相对误差的标准差IwanKowals
11、kyKwan本文模型本文模型 割割线线刚刚度度模模型型 等代结构法等代结构法-计算流程计算流程已知的结构已知的结构预设损伤机制预设损伤机制反应谱分析反应谱分析不一致不一致一致一致结构峰值响应结构峰值响应各单元的等价参数各单元的等价参数结构的等价阻尼比结构的等价阻尼比各个单元的变形各个单元的变形 pre=cal？S0m,ieq,im0S0m,iiiEEp SDOF等价线性化模型等价线性化模型p 能量加权平均的模态阻尼比能量加权平均的模态阻尼比p 假定预期损伤部位的曲率延性假定预期损伤部位的曲率延性0.020.030.050.080.130.200.30阻尼比阻尼比p 设计时可采用设计反应谱设计时
12、可采用设计反应谱p 与动力分析比较时采用平均反应谱与动力分析比较时采用平均反应谱阻尼比阻尼比2%3%5%8%13%20%30%近似近似NL-THAEQL-THAEQL-RSA等代结构法等代结构法精确精确单自由度系统的等价线性化单自由度系统的等价线性化振型叠加反应谱分析振型叠加反应谱分析损伤部位延性系数的确定损伤部位延性系数的确定等效模态阻尼比的集成等效模态阻尼比的集成分析方法分析方法误差来源误差来源 等代结构法等代结构法-误差分析误差分析误差误差1误差误差2误差误差3最大层间位移角的相对误差最大层间位移角的相对误差近似近似NL-THAEQL-THAEQL-RSA等代结构法等代结构法精确精确单自
13、由度系统的等价线性化单自由度系统的等价线性化振型叠加反应谱分析振型叠加反应谱分析损伤部位延性系数的确定损伤部位延性系数的确定等效模态阻尼比的集成等效模态阻尼比的集成分析方法分析方法误差来源误差来源 等代结构法等代结构法-误差分析误差分析误差误差1误差误差2误差误差3最大层间位移角的相对误差最大层间位移角的相对误差算例算例2：层：层刚度沿高度刚度沿高度减小减小，高阶，高阶振型贡献大振型贡献大 等代结构法等代结构法-误差分析误差分析算例算例1：底：底层刚度低层刚度低第一振型占第一振型占主导主导算例算例2：层：层刚度沿高度刚度沿高度逐渐减小逐渐减小，高阶振型贡高阶振型贡献大一些献大一些 等代结构法等
14、代结构法-误差分析误差分析算例算例1：底：底层刚度低层刚度低第一振型占第一振型占主导主导 算例算例2：层：层刚度沿高度刚度沿高度逐渐减小逐渐减小，高阶振型贡高阶振型贡献大一些献大一些 最大层间位移角最大层间位移角SSANL-TH平均值平均值 等代结构法等代结构法-误差分析误差分析楼层最大水平位移楼层最大水平位移(m)最大层间位移角最大层间位移角p SDOF等价线性化本身的误差等价线性化本身的误差p尤其对于损伤集中的结构，如算例尤其对于损伤集中的结构，如算例1p确定延性系数分布时的误差确定延性系数分布时的误差p尤其对于变形模式离散性大的结构，如算例尤其对于变形模式离散性大的结构，如算例2加固前最
15、大层间变形角加固前最大层间变形角02468101200.0020.0040.0060.008层间位移角楼层024681012050100150200水平位移(mm)楼层 等代结构法应用等代结构法应用 G3教学楼（混凝土框架结构）教学楼（混凝土框架结构）024681012010203005101520253035400300060009000 12000 15000 18000钢阻尼器的延性系数钢阻尼器的延性系数摇摆墙的最大弯矩摇摆墙的最大弯矩（kNm）02468101200.0020.0040.0060.008层间变形角楼层024681012050100150200水平位移(mm)楼层加固后最
16、大层间位移角加固后最大层间位移角加固后最大位移加固后最大位移加固前最大位移加固前最大位移弹塑性时程弹塑性时程等代结构法等代结构法弹性分析弹性分析 等代结构法应用等代结构法应用 扭转不规则的钢框架结构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平动分量振型的扭转分量振型的扭转分量12345678900.010.020.030.04层间位移角01234567890200400600800楼层水平位移楼层NL-THMPASSA楼层水平位移楼层水平位移(mm)最大层间位移角最大层间位移角5x91405x9140549036508x3960偏心距：偏心距：4170mmEQ-
17、22 PGV=100cm/sSM1=1.0gSMS=2.0gMPAMPASSASSA纵向层间位移角纵向层间位移角横向层间位移角横向层间位移角楼层楼层7500 x518000450040006x3500EQ-10-XEQ-10-YT1=1.19s 纵向平动纵向平动T2=1.04s 横向平动横向平动T3=0.95s 扭转扭转xy中柱弯矩中柱弯矩中柱延性系数中柱延性系数楼层楼层均值均值+标准差标准差等代结构法等代结构法时程均值时程均值xy中柱轴压比中柱轴压比C-B3C-B3GXGYC-B3GY梁延性系数梁延性系数楼层楼层 等代结构法应用等代结构法应用 钢筋混凝土框架双向地震输入钢筋混凝土框架双向地震
18、输入 等代结构法应用等代结构法应用 BRB支撑框架结构支撑框架结构 等代结构法应用等代结构法应用 不规则结构不规则结构 等代结构法的优缺点等代结构法的优缺点优点优点缺点缺点与动力弹塑性分析与动力弹塑性分析相比相比与静力弹塑性分析与静力弹塑性分析相比相比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考虑预期损伤部位考虑预期损伤部位可能超强可能超强考虑预期损伤部位考虑预期损伤部位承载力可能不足承载力可能不足 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2.罕遇地震下，罕遇地震下，预期损伤部位具预期损伤部位具有足够的变形能有足够的变形能力力3.罕遇地震下，非罕遇地震下，非预期损伤部位具
19、有预期损伤部位具有足够的承载力足够的承载力抗震性能校核 大震变形验算大震变形验算0.95LKRR预期损伤部位取承载力下限值预期损伤部位取承载力下限值 大震承载力设计大震承载力设计预期损伤部位取承载力上限值预期损伤部位取承载力上限值UK1.25RR 设计例设计例 I 1.设定预期损伤机制设定预期损伤机制横向框架横向框架纵向框架纵向框架预期损伤部位预期损伤部位7500 x518000450040006x3500纵向输入横向输入斜向输入 VIII度设防，二类场地度设防，二类场地 二级抗震二级抗震 采用我国规范的设计反应谱采用我国规范的设计反应谱 考虑两个主轴方向和一个斜考虑两个主轴方向和一个斜向的地
20、震作用向的地震作用周期(s)地震影响系数 max=0.9Tg00.35设计反应谱阻尼比2%3%5%8%13%20%30%设计例设计例 I 2.小震线弹性设计小震线弹性设计横向框架横向框架纵向框架纵向框架EGEGREDSSREGGED1.25RSS 按照现有基于小震弹性响应的抗震设计按照现有基于小震弹性响应的抗震设计方法对方法对预期损伤部位预期损伤部位进行承载力设计进行承载力设计抗震设计规范抗震设计规范性态设计通则性态设计通则 设计例设计例 I 3.大震变形验算大震变形验算规范限值规范限值1/5000规范限值规范限值1/501234567890.0050.010.0150.020.025纵向层间
21、变形角纵向层间变形角楼层楼层0.0050.010.0150.020.025横向层间变形角横向层间变形角GX-2GX-1GY-2GY-10012345678横向梁端曲率延性系数横向梁端曲率延性系数12345678912345678纵向梁端曲率延性系数纵向梁端曲率延性系数楼层楼层输入方向输入方向中柱中柱边柱边柱角柱角柱X向输入向输入7.637.918.08Y向输入向输入4.995.456.94斜向输入斜向输入4.674.995.71输入方向输入方向中柱中柱边柱边柱角柱角柱X向输入向输入1.972.132.18Y向输入向输入1.762.062.54斜向输入斜向输入1.571.792.15底层柱脚曲率
22、延性底层柱脚曲率延性0.95LKRR 对对预期损伤部位预期损伤部位进行变进行变形能力设计形能力设计 设计例设计例 I 4.大震承载力设计大震承载力设计C-2C-1aC-1bC-2C-1aC-1bC-2C-1aC-1bC-2C-1aC-1b斜向地震作用下柱承载力需求柱纵筋配筋结果UK1.25RR 按照荷载标准组合计算按照荷载标准组合计算非预期损伤部位非预期损伤部位的承载力需求，按材料标准值进行承载的承载力需求，按材料标准值进行承载力设计力设计GEkKSSRC-B3C-B3GXGYC-B3GY梁延性系数梁延性系数楼层楼层C-B3GX12345678012345678 012345678012345
23、012345678 设计例设计例 I 抗震性能检验抗震性能检验EQ-10 双向输入双向输入纵向层间位移角纵向层间位移角横向层间位移角横向层间位移角楼层楼层012345678900.010.020.030.04 00.010.020.03与原设计相比，纵筋增加了约与原设计相比，纵筋增加了约20%最大位移与层间位移基本相同最大位移与层间位移基本相同框架柱框架柱进入塑性的程度有所进入塑性的程度有所降低降低框架梁框架梁进入塑性的程度有所进入塑性的程度有所提高提高楼层楼层0123456780120123401234柱延性系数柱延性系数11.522.533.50123456789 10 11地震波编号DC
24、F原框架新框架完全弹性柱012345678900.20.40.6归一化层间位移角的离散系数楼层原框架新框架完全弹性柱 设计例设计例 I 抗震性能检验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ave,inor,iiave,imax归一化层间位移角归一化层间位移角层间位移集中系数层间位移集中系数maxrDCFuH 摇摆墙摇摆墙-框架体系框架体系1995年神户地震后的神户市政厅年神户地震后的神户市政厅(照片来自照片来自A.Wada)2008年汶川地震后的某框架结构年汶川地震后的某框架结构2010年智
25、利地震中某剪力墙破坏年智利地震中某剪力墙破坏（EERI,2010）纯框架纯框架剪力墙剪力墙摇摆墙摇摆墙-框架体系框架体系 摇摆墙的刚度需求摇摆墙的刚度需求maxrDCFuH3EIkhurHEQ-22地震动记录地震动记录摇摆墙刚度系数摇摆墙刚度系数MacRae et al(2004)层间位移集中系数层间位移集中系数MacRae et al(2004)抗规抗规底部剪力法底部剪力法9层层6层层3层层刚度系数刚度系数 DCF 摇摆墙的刚度需求摇摆墙的刚度需求9层层6层层3层层刚度系数刚度系数 DCF控制目标：控制目标：1阶振型对应阶振型对应的的DCFdemcr0.1480.368NR层数层数需求刚度系
26、数需求刚度系数 dem050010001500200000.010.020.030.040.05层间位移角楼层剪力(kN)050010001500200000.010.020.030.040.05层间位移角基底剪力(kN)F1F2F3F4F5F6F7F8 摇摆墙摇摆墙-框架体系的受力特征框架体系的受力特征F1F2F3F4F5F6F7F8使结构变形沿高度方使结构变形沿高度方向更加均匀，提高结向更加均匀，提高结构变形能力构变形能力摇摆墙内的最大剪力摇摆墙内的最大剪力与最大弯矩出现在不与最大弯矩出现在不同部位，改善墙体受同部位，改善墙体受力状态，更易于设计力状态，更易于设计 摇摆墙摇摆墙-框架结构的工程实例框架结构的工程实例拆除拆除加固加固抗震能力系数抗震能力系数Is东京工业大学东京工业大学G3教学楼教学楼 建于建于1979年年 11层钢骨混凝土框架结构层钢骨混凝土框架结构经抗震鉴定，需要立即加固经抗震鉴定，需要立即加固
