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钢结构性能设计方法的比较

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1美国规范中关于性能设计的规定

1.1抗震设防水准抗震设防水准指建筑结构遭遇不同水准的地震影响时,对结构、构件、使用功能、设备的损坏程度及人身安全的总要求。为了实现多级设防的设防目标,FEMA356对地震风险水平分为四个等级,建议的抗震设防水准:

1.2主要构件和次要构件美国规范中ASCE41-06中指出,所有对结构侧向刚度有较大影响的构件,或者在结构侧向变形下要承受荷载的构件,都应划分为主要构件和次要构件。若结构需要某构件抵抗地震力从而实现预定的性能等级,则该构件为主要构件。反之,若结构不需要某构件抵抗地震力从而实现预定的性能等级,则该构件为次要构件。一般来说,当一个构件不能明显地或者可靠地加强结构对地震的抵抗,就应该将其划分为次要构件。需要指出的是,主要构件和次要构件的划分主要根据抗侧力而言。

1.3性能水准在给定的地震设防水准下,建筑物的性能用性能水准来表示。性能水准表示建筑结构在特定设防地震作用下所达到破坏的最大程度。美国规范ASCE41-06中,结构性能划分为立即使用(ImmediateOccupancy,S-1),损伤控制范围(DamageControlRange,S-2),生命安全(LifeSafety,S-3),有限的安全范围(LimitedSafetyRange,S-4),防止倒塌(CollapsePrevention,S-5),不考虑(NotConsidered,S-6)六个性能水平。由于业主可选择的结构性能水平范围较广,FEMA356中的S-1、S-3、S-5、S-6为大部分结构常用的性能水平,而S-2、S-4是允许有其他要求的用户进行特殊定制的建筑物性能水平范围,并且对立即使用(简称IO)、生命安全(简称LS)和防止倒塌(简称CP)的性能状态有详细的描述。立即使用(简称IO):建筑的功能在地震中和地震后能够继续保持,结构没有发生损害或者发生轻微的损害。因结构损伤对结构对于人的生命安全和财产损失造成的威胁的概率非常低,不需要修理建筑便可继续使用。生命安全(简称LS):建筑的功能在地震中和地震后造成了明显损害,主体结构有较重破坏但不影响承重。地震时可能会造成人员的受伤,但总的来说由于结构损坏而对人员生命安全造成威胁的概率较低。建筑需要重新使用,必须要重新修理。防止倒塌(简称CP):建筑的功能基本上丧失,主体结构收到了严重的破坏,但不至于倒塌。震后修理难度非常大,或者经济上不允许,不建议继续使用。

1.4性能目标结构抗震性能水准———是用来描述建筑物在一定地面运动作用下的损伤程度,它是结构性能、非结构构件和体系的性能以及室内设施性能的做好。结构抗震性能目标———是指在一定超越概率的地震发生时,结构期望的最大破坏程度,即性能目标是地震设防水准与结构性能水准的组合。确定结构的性能目标也就是如何根据结构的功能要求、使用情况以及设防地震水平来确定相应的最低性态目标。美国规范中,在每种性能水准下,对主要构件和次要构件的变形做出定量的规定。见图1所示,地震作用下力-变形曲线及屈服变形θB或△B,极限强度对应的变形θC或△C,破坏变形θE或△E,可用标准化的力-变形曲线表达。美国规范ASCE41-06依据不同的性能水准和构件的主次要划分,对构件的变形阶段做出限制,如图1所示。对于“立即使用”性能水准,要求主要和次要构件的变形仅可以少量超过屈服变形或者发生可见的破坏,并且小于极限强度对应的塑性变形(图1中c点)0.5倍。对于“生命安全”性能水准,要求主要构件的变形可以大幅超越屈服变形,但需小于0.75倍极限强度对应的变形(图1中C点),次要构件则允许突破强化段,需小于0.75倍破坏变形(图1中E点)。对于“防止倒塌”性能水准,要求主要构件可以达到极限强度但小于0.75倍破坏变形(图1中E点),次要构件则允许构件达到其破坏变形(图1中E点)。

2结论

本文对比了美国规范和我国抗规及高规中关于性能设计方法的不同。指出我国规范中对性能水准的定义的不足在于在构件发生屈服后的描述,应通过构件变形而非构件承载力来验算性能,进而详细介绍了美国规范中关于性能水准及性能目标的概念及定义,为我国结构设计人员更好的应用性能设计的方法提供帮助。

作者:古娟妮郑昊单位:广东省城市建设技师学院广东省建科建筑设计院

钢结构性能设计方法的比较责任编辑:田老师    阅读:人次