平面不规则钢结构基于性能抗震设计方法研究

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平面不规则钢结构基于性能抗震

设计方法研究

摘要

基于性能的结构抗震设计思想是二十世纪九十年代地震工程学界中出现的一种

全新的理论，该理论一经提出就受到广大学者的关注。目前，国际上已普遍认可了

基于性能的结构抗震设计的重要性和适用性。该理论摒弃了传统的抗震设计以保障

生命安全为单一设防目标的缺陷，而是以提高结构抗震性能为目标，要求所设计的

建筑结构既能保证安全可靠，又能满足业主的需求。然而在我国，这一理论的研究

尚处起步阶段。因此，系统地研究这一设计理论，对我国抗震设计理论的发展具有

重要的理论意义和实用价值。本文主要围绕平面不规则钢结构基于性能的抗震设计

方法进行了以下几方面的研究工作。

（1）论文首先对结构性能水平和抗震性能目标的优化决策进行研究。以结构在

地震作用下的破坏程度为依据，将结构性能水平划分为五级，并以结构的层间位移

角为定量控制指标，建立了结构破坏程度―结构性能水平―层间位移角之间的对应

关系。这种划分细化了现行规范规定的三级性能水平，为设计人员和业主提供更多

的选择，使结构抗震设计更加灵活。同时，以“投资―效益”准则为基础，结合地

震危险性分析，建立了全新的结构全寿命总费用模型。该模型不仅考虑了结构的初

始造价，而且充分根据结构性能失效的特点考虑了结构在各级性能水平下的损失期

望，全面注重了结构性能、安全及社会经济等条件。

（2）在静力弹塑性分析中，综合阐述了其基本原理和实施步骤，并在该方法的

关键问题―水平侧向力的分布模式上，通过引入水平侧向力调整系数和水平侧向力

分配系数，提出了针对平面不规则钢结构改进的水平侧向力分布模式。应用

SAP2000有限元软件对算例进行Pushover分析，分析结果验证了所提出模式的可行

性，说明Pushover分析法也同样适用于平面不规则结构。

（3）论文还对平面不规则结构的改进能力谱法进行了研究。通过引入等效振型

和等效振型参与系数来考虑高阶振型对结构反应的影响；通过引入与结构整体尺寸

和偏心距有关的承载力降低系数来考虑因结构扭转而产生的剪力增大效应，以此建

立了等效SDOF体系的简化方法。为了建立弹塑性需求谱，基于Kwan提出的计算方

法，结合多、高层钢结构的特性，提出了针对多、高层钢结构的等效阻尼比计算公

式。综合等效SDOF体系改进的简化方法及结构能力谱曲线和需求谱曲线的建立方

法，提出了改进能力谱法的主要流程。该流程避免了传统能力谱法在求解结构性能

点时复杂的迭代，计算过程更加简便、有效。算例结果表明，按照改进能力谱法评

估结构抗震性能得到的结果偏于安全，说明在选取了合适参数的基础上，结构抗震

性能评估的能力谱法也适用于不规则结构。

（4）论文最后将文中研究的各方面内容综合运用到平面不规则钢结构基于性能

抗震设计的各个阶段。即在结构选择了合适的抗震性能等级以后，对结构进行概念

设计，并计算该设计方案的结构全寿命周期的总费用，然后以Pushover分析法作为

结构的计算分析方法，以改进的能力谱法作为检验结构抗震性能的评估与验算方法

从而形成一套完整的结构抗震设计方法。该方法在结构设计的每一阶段都以结构的

抗震性能作为控制指标，充分体现了基于性能的抗震设计思想。

关键词：基于性能的抗震设计平面不规则钢结构全寿命周期总费用

静力弹塑性分析水平侧向力分布模式动力时程分析能力谱法

ABSTRACT

T h e c o n c e p t o f p e r f o r m a n c e-b a s e d s e i s m i c d e s i g n i s a n e w t h e o r y i n t h e

e a r t h q u a k e e n g i n e e r i n g f i e l d s i n c e 1 9 9 0s , a n d t h e n mu c h a t t e n t i o n w a s p a i d f r o m

scholars. Nowadays, the international communities have recognized its importance and

applicability. Contrary to the traditional seismic design method, this theory is aiming at

improving the target performance level of structures rather than only maintaining the

life safety. It requires that structures should be safe and the design scheme should meet

t he n e e d s o f o wne r s a s w ell. However , i n C h i na, t he s t u d y o n i t is st i l l i n t h e i nitial

st age. Ther ef or e, the systematic stu dy o n it has a s igni fi ca nt theo re ti cal and pract ical

v a l u e t o t h e d e v e l o p m e n t o f s e i s m i c d e s i g n t h e o r y．Th i s p a p e r fo c u se s o n t h e

p e r f o r m a n c e-b a s e d s e i s m i c d e s i g n o f i r r e g u l a r p l a n e s t e e l s t r u c t u r e a n d c e r t a i n

researches are investigated.

（1）B a s e d o n d a m a g e d e g r e e s o f t h e s t r u c t u r e u n d e r t h e e a r t h q u a k e , f i v e

p e r f o r m a n c e l e v e l s a r e c l a s s i f i e d . Th e i n t e r - s t o r y d r i f t i s d e f i n e d a s t h e

qu a n t i t a t i v e c o n t r o l i n d e x a n d th e r e l a t i o n s h i p a m o n g d a m a g e d e g r e es , p e r f o r m a n c e

l e v e l s a n d t h e i n t e r - s t o r y d r i f t i s b u i l t . T h e c l a s s i f i c a t i o n proposed p r o v i d e s m o r e

f l e x i bl e options f o r designers and owners．M e a n w h i l e , b a s e d o n t h e c o s t - e f f e c t i v e n e s s

criterion and taking the seismic hazard analysis into consideration, a new structural life-

c y c l e c o s t m o d e l i s p r e s e n t e d , w h i c h c o n s i d e r s t h e i n i t i a l c o s t a n d t h e f a i l u r e l o s s

expectation, and roundly pays attention to the structural performance and other

conditions.

（2）A n e w l a t e r a l- l o d e p a t t e r n t o t h e i r r e g u l a r p l a n s t e e l s t r u c t u r e s i s

p r e s e n t e d w h e n t h e p u s h o v e r a n a l y s i s m e t h o d i s d i s cus s e d．Th e e x a m p l e u s i n g

S A P 2 0 0 0 f o r t h e p u s h o v e r a n a l y s i s t e s t i f i e s t h e f e a s i b i l i t y a n d v a l i d i t y o f

t h e p r o p o s e d m o d e l，a n d p r o v e s t h e p o t e n t i a l i t y o f t h e u s e o f p u s h o v e r a n a l y s i s t o

irregular structures．

（3）The capacity spectrum method used to evaluate the structural performance is

discussed. The concepts of the equivalent mode and the modal participation coefficient

a r e i n t r o d u c e d w h e n i rr e g u l ar p l a n s t r u c t u r e s a r e s t u d i e d, a s w e l l a s th e s t r e n g t h

reduc t i o n c o e fficie n t ζ whi c h i s r e l ated t o stru c t u r a l dimensi o n s a n d t he e c c e n t r i c i ty.

Based on the simplification method of the equivalent SDOF system, the main process of

t h e m o d i f i e d c a p a c i t y s p e c t r u m m e t h o d i s a l s o p r e s e n t e d . T h e c a l c u l a t i o n r e s u l t

shows that the capacity spectrum method can be used to evaluate the performance of

irregular plan structures when choosing appropriate parameters．

（4）Each of the studied objects in this paper is used in the different stage of the

comprehensive seismic design method to steel structures．It is to say that after selecting

the performance level, designers can do the work such as structural conceptual design

a n d t h e c a l c u l a ti o n o f t h e l i f e - c y c l e c o s t . An d t h e n , th e p u s h o v e r a n a l y s i s m e t h o d i s

u s e d as t h e w a y o f c a l c u l a t in g a n d t h e c a p a c i t y s p e c t r u m m e t h o d i s u s e d

t o e v a l u a t i n g t h e s t r u c t u r a l p e r f o r m a n c e．So t h e u n i f i e d p e r f o r m a n c e - b a s e d s e i s m i c

design method to irregular plan structures are formed, which embodies fully concept of

the “performance-based” in every step of the structural design process.

Key Word：performance-based seismic design，irregular plane steel

s t r u c t u r e，l i f e - c y c l e c o s t，p u s h o v e r a n a l y s i s，l a t e r a l - l o d e

pattern，dymatic time-history analysis，capacity spectrum method

目  录
中文摘要
ABSTRACT
第一章 绪 论....................................................................................................................1
§1.1 引言....................................................................................................................1
§1.2 基于性能的抗震设计理论................................................................................2
§1.2.1 我国现行抗震设计规范的不足.................................................................2
§1.2.2 基于性能抗震设计理论的提出及研究现状.............................................3
§1.2.3 基于性能抗震设计理论的含义.................................................................4
§1.3 基于性能抗震设计的主要内容及存在的问题................................................5
§1.3.1 地震设防水准.............................................................................................5
§1.3.2 结构性能水平.............................................................................................7
§1.3.3 抗震性能目标.............................................................................................8
§1.3.4 存在的问题.................................................................................................9
§1.4 基于性能的抗震设计方法..............................................................................10
§1.4.1 直接基于位移设计法...............................................................................11
§1.4.2 位移影响系数法.......................................................................................13
§1.4.3 能力谱法...................................................................................................13
§1.4.4 基于可靠度设计法...................................................................................14
§1.5 静力弹塑性（Pushover）分析.......................................................................15
§1.6 本文主要研究内容..........................................................................................17
§1.7 基本假定与理想化处理..................................................................................18
第二章 结构性能水平与抗震性能目标优化决策.......................................................19
§2.1 概述..................................................................................................................19
§2.1.1 结构可靠度理论.......................................................................................19
§2.1.2 “投资―效益”准则..............................................................................21
§2.2 结构性能水平的量化......................................................................................22
§2.3 抗震性能目标优化决策..................................................................................27
§2.3.1 基于“投资―效益”准则的性能目标优化模型...................................27
§2.3.2 全寿命总费用评估...................................................................................28
§2.4 本章小结..........................................................................................................32
第三章 平面不规则钢结构静力弹塑性分析...............................................................33
§3.1 概述..................................................................................................................33
§3.2 Pushover分析法的基本原理...........................................................................34
§3.2.1 Pushover分析法的基本假定....................................................................34
§3.2.2 等效单自由度体系的建立[31]...................................................................34
§3.3 Pushover分析法的实施步骤...........................................................................37
§3.3.1 结构荷载―位移曲线的建立...................................................................37

§3.3.2 目标位移的求解.......................................................................................38
§3.4 水平侧向力分布模式......................................................................................43
§3.5 平面不规则钢结构改进的水平侧向力分布模式..........................................46
§3.5.1 概述...........................................................................................................46
§3.5.2 楼层的质量中心、刚度中心及偏心矩...................................................47
§3.5.3 平面不规则钢结构改进的水平侧向力分布...........................................47
§3.6 算例..................................................................................................................49
§3.6.1 结构非线性模型.......................................................................................49
§3.6.2 非线性时程分析.......................................................................................50
§3.6.3 地震波的选取...........................................................................................51
§3.6.4 有限元模型建立.......................................................................................53
§3.6.5 Pushover分析结果....................................................................................54
§3.6.6 与时程分析结果比较...............................................................................56
§3.7 本章小结..........................................................................................................57
第四章 平面不规则钢结构改进能力谱法...................................................................59
§4.1 概述..................................................................................................................59
§4.2 本文建议的等效SDOF体系简化方法...........................................................61
§4.2.1 等效振型与等效振型参与系数...............................................................61
§4.2.2 等效质量...................................................................................................62
§4.2.3 等效位移与等效基底剪力.......................................................................62
§4.2.4 理论分析曲线折线化...............................................................................63
§4.2.5 等效周期...................................................................................................65
§4.2.6 等效阻尼比...............................................................................................66
§4.3 结构能力谱曲线..............................................................................................67
§4.4 结构需求谱曲线..............................................................................................68
§4.4.1 等效阻尼比弹性需求谱曲线...................................................................68
§4.4.2 弹塑性需求谱曲线...................................................................................70
§4.5 本文改进的能力谱法......................................................................................70
§4.5.1 目标位移的确定.......................................................................................70
§4.5.2 改进能力谱法的计算步骤.......................................................................71
§4.6 算例..................................................................................................................73
§4.6.1 计算结果...................................................................................................73
§4.6.2 与时程分析结果比较...............................................................................74
§4.7 本章小结..........................................................................................................75
第五章 平面不规则钢结构基于性能抗震设计方法...................................................76
§5.1 概述..................................................................................................................76
§5.2 平面不规则钢结构基于性能的抗震设计方法..............................................77
§5.2.1 结构概念设计...........................................................................................78
§5.2.2 结构性能水平的确定和抗震性能目标的优化决策...............................78
§5.2.3 结构的非线性分析...................................................................................80

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摘要：

平面不规则钢结构基于性能抗震设计方法研究摘要基于性能的结构抗震设计思想是二十世纪九十年代地震工程学界中出现的一种全新的理论，该理论一经提出就受到广大学者的关注。目前，国际上已普遍认可了基于性能的结构抗震设计的重要性和适用性。该理论摒弃了传统的抗震设计以保障生命安全为单一设防目标的缺陷，而是以提高结构抗震性能为目标，要求所设计的建筑结构既能保证安全可靠，又能满足业主的需求。然而在我国，这一理论的研究尚处起步阶段。因此，系统地研究这一设计理论，对我国抗震设计理论的发展具有重要的理论意义和实用价值。本文主要围绕平面不规则钢结构基于性能的抗震设计方法进行了以下几方面的研究工作。（1）论文首先对结构性能...

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