專利名稱：一種密肋結構三道防線抗震控制設計方法
技術領域：
本發明涉及一種密肋結構三道防線抗震控制設計方法，屬于建筑技術領域。
背景技術：
基于可靠度理論的結構概率極限狀態設計方法經歷了以下兩個發展階段發 展階段I為經驗系數設計法，也稱半概率半經驗設計法，包括以彈性極限為基礎 的容許應力設計法和以塑性極限為基礎的破損階段設計法；發展階段II為近似 概率設計法，最具代表性的設計方法即荷載與抗力系數設計方法，中國規范《建 筑結構可靠度設計統一標準》(GB50068 — 2001)采用的就是近似概率設計法。發 展階段III為全概率設計法，隨著結構可靠度理論的發展與成熟，當前基于可靠 度理論的概率設計方法出現了由階段II向階段III發展的趨勢。將結構的抗震 性能設計建立在基于可靠度的全概率設計^^之上，應該是結構概率設計和抗震 設計的共同發展方向。
目前我國所采用的三水準兩階段的抗震設計方法，嚴格的講屬于一種基于承 載力的設計方法，因為在這種方法中結構位移和結構構件的變形并沒有處于主要 地位。事實上，地震作用下結構或非結構構件的破損主要是由于水平位移過大造 成的，用承載力作為唯一的指標，不能預估地震地面運動對結構的要求和控制結 構構件在大震作用下的變形能力，因而并不能確保結構的抗震安全性和控制結構 在地震作用下的破損程度。
我國現行抗震設計規范只在結構承載能力極限狀態設計上實現了近似概率設 計，而結構在小震作用下的彈性變形驗算以及大震作用下的彈塑性變形驗算都是確定性的驗算方法。另外，當前的抗震設計方法也不能考慮由于結構在地震作用 下的低周疲勞所造成的累積損傷。事實上，單一的變形驗算不一定完全能保證實 現三水準的目標，因此，從建筑結構在地震作用下最直觀的表現即損傷角度進行 抗震設計也是自然而合理的。
盡管三水準兩階段的抗震設計方法在相當常的時期內仍將在指導工程抗震設 計中發揮重要作用，但近年來世界上多次發生的地震災害已經暴露出基于承載力 的設計原理和方法的局限性。考慮到結構構造占建筑總體造價的比例越來越小， 如何避免或減輕地震破壞所造成的經濟損失已經成為抗震研究和設計的一個重 要出發點，對地震作用下結構及其構件的位移及相關物理量進行基于可靠度的控 制設計是減少經濟損失的 一 種有效方法。
中國發明專利^Hf號為200610001006.6的專利申請文本^^開了一種名稱為 "密肋結構體系及其連接施工工藝方法"的新型結構形式。密肋結構主要是由 密肋復合墻板、樓板與外框架裝配整澆而成。密肋復合墻板是以截面及配筋較 小的鋼筋混凝土為肋格，內嵌以爐渣、粉煤灰等工業廢料為主要原料的加氣硅 酸鹽砌塊(或其它具有一定強度的輕質骨料)預制而成。在密肋復合墻體中， 復合墻板不僅起圍護、分隔空間和保溫作用，而且與隱型框架一起承擔結構的 豎向及水平荷載。在水平荷載作用下，密肋復合墻板與外框架共同工作，兩者 相互約束，共同受力，充分發揮各自性能。
密肋復合墻結構具有多道抗震防線及耗能減震功能，可實現結構分階段耗 散地震能量，滿足結構的不同性能目標及性能水準，實現了結構分災控制設計， 是一種理想的抗震結構新體系。密肋結構分階段耗散能量是建立在三道抗震防 線依次發揮作用的基礎上，各道防線的破壞指標即成為結構不同性能水平的判斷指標，因此，密肋結構與基于性能抗震設計理論的結合具有很好的條件。
本發明的目的在于結合密肋結構三道抗震防線和分階段耗散地震能量的特 點，建立基于動力可靠度的密肋結構的抗震控制設計方法。
發明內容
為了克服現有技術結構的不足，本發明提供一種密肋結構三道防線抗震控制 設計方法。
本發明解決其技術問題所釆用的技術方案是 一種建筑結構的抗震控制設計方法，包括
步驟l:結構設計，根據密肋結構體系的使用場所，選擇各部件的組成形式；
步驟2:地震作用輸入，根據功率譜密度函數表達式，確定多遇地震、基本 設防烈度地震和罕遇地震的輸入強度；
步驟3:結構計算模型的確定，即確定密肋結構彈性階段的等效彈性板模型、 彈塑性階段的剛架斜壓桿模型、破壞階段的梁鉸框架模型；
步驟4:可靠度計算，
方法l:采用位移的首次超越破壞準則，首先計算多遇地震強度下，等效彈 性板模型超越層間位移角界限值1/800的可靠度；其次計算基本設防烈度地震 強度下，剛架斜壓桿模型超越層間位移角界限值1/300的可靠度；最后計算罕 遇地震強度下，梁鉸框架模型超越層間位移角界限值1/100的可靠度；
或方法2:采用基于累積損傷的破壞準則，首先計算多遇地震強度下，等效 彈性板模型損傷指數超越界限值0. 25的可靠度；其次計算基本設防烈度地震強 度下，剛架斜壓桿模型損傷指數超越界限值0.65的可靠度；最后計算罕遇地震 強度下，梁鉸框架模型損傷指數超越界限值0. 95的可靠度；
步驟5:結構設計調整，若上述各項可靠度計算結果均在99. 95%以上，則結構設計滿足要求，否則返回步驟l,調整結構設計，直到其滿足可靠度要求為 止。
本發明與現有技術相比，具有以下有益效果
采用更符合實際情況的隨機地震動模型來考慮地震作用；將結構設計控制 限值考慮為隨機變量，應用動力可靠度理論進行結構設計；可將地震作用細化 為多個水準，并可考慮結構參數的變異性。
使設計和建造的工程結構能在各種可能遇到的地震作用下，它的反應和破 壞性態均在設計的預期范圍內，不僅能確保生命安全，而且能確保經濟損失最 少，對地震反應和破壞進行了定量的控制設計。
圖1為本發明示意圖。
下面結合附圖和實施例對本發明進一步說明。
具體實施例方式
實施例l:如圖l所示，基于動力可靠度的密肋結構三道防線抗震控制設計方
法
步驟l:結構設計
根據密肋結構體系的使用場所，選擇各部件的組成形式，其中由型鋼、型鋼 混凝土、鋼筋混凝土梁、柱構成主體框架，主體框架內由截面及承載力較小的 型鋼、型鋼混凝土、鋼筋混凝土分割條劃分出若干框格，形成網格空腔，網格 空腔內為預制塊材； 步驟2:地震作用
選定一種地面加速度功率語作為輸入地震作用，結合場地類別及設計地震 分組，確定功率譜密度函數的各個參數值及地震動持時，根據抗震設防烈度及多遇地震、基本設防烈度地震、罕遇地震分別確定功率譜的輸入強度； 步驟3:結構計算模型的確定
由于密肋結構的獨特設計，使其具有三道抗震防線，故墻體的不同受力階 段即彈性階段、彈塑性階段、破壞階段應采用不同的力學模型；根據結構設計 參數，確定密肋結構彈性階段的等效彈性板模型在彈性階段，墻體可視為一 種以輕質砌塊為基體，混凝土肋梁、肋柱、外框為增強纖維的復合材料等效彈 性板，并可在雙向纖維單層復合材料模型的基礎上，給出墻體簡化的各向同性 計算模型；確定彈塑性階段的剛架斜壓桿模型在彈塑性階段，砌塊可以用一 個個沿砌塊對角線放置的等效斜壓桿來代替，將這一階段墻體損傷的過程簡化 地視為斜壓桿等效軸向剛度逐步衰減和混凝土框架逐步損傷的過程，從而將這 一階段的墻體簡化為 一 個由鋼筋混凝土剛架和與之鉸接的砌塊等效斜壓桿組成 的剛架斜壓桿組合模型；確定破壞階段的梁鉸框架模型在破壞階段，假定混 凝土框架的損傷全部集中在肋梁兩端的塑性鉸區，而框架其它部分仍然處于線 彈性，相對于暗梁對外框柱和肋柱的約束程度，嚴重破損的肋梁對外框柱和肋 柱幾乎沒有約束，在梁鉸框架抗側剛度的計算中可以不予考慮，而且，暗梁的 線剛度相對較大，可以不考慮暗梁柱節點轉動對柱抗側剛度的影響；確定各模 型動力計算的質量矩陣、剛度矩陣及阻尼矩陣；
步驟4:可靠度計算
方法l:以隨機振動理論為依據對密肋結構進行動力計算，采用位移的首次 超越破壞準則，首先計算多遇地震強度下，等效彈性板模型超越層間位移角界 限值1/800的可靠度；其次計算基本設防烈度地震強度下，剛架斜壓桿模型超 越層間位移角界限值1/300的可靠度；最后計算罕遇地震強度下，梁鉸框架模型超越層間位移角界限值1/100的可靠度；若上述三項可靠度計算結果均在 99. 95%以上，則結構設計滿足要求，否則按步驟5進行調整。
方法2:以隨機振動理論為依據對密肋結構進行動力計算，采用基于累積損 傷的破壞準則，首先計算多遇地震強度下，等效彈性板模型損傷指數超越界限 值O. 25的可靠度；其次計算基本設防烈度地震強度下，剛架斜壓桿模型損傷指 數超越界限值0. 65的可靠度；最后計算罕遇地震強度下，梁鉸框架模型損傷指 數超越界限值0. 95的可靠度；若上述三項可靠度計算結果均在99. 95%以上，則 結構設計滿足要求，否則按步驟5進行調整；
步驟5:結構設計調整
根據可靠度計算結果，返回步驟l,調整結構設計，再對其進行計算，直到 其可靠度滿足要求為止。
進一步地，可將地震作用從小震到大震劃分為五個水準，相應的可靠度計 算限值也可進一步細化為五個限值。
進一步地，確定結構計算模型時，可考慮結構參數的隨機性，對隨機結構 受隨機地震作用的可靠度進行計算。
實施例2:本發明提供了一種基于動力可靠度的密肋結構三道防線抗震控制 i殳計方法
步驟l:結構i殳計
根據密肋結構體系的使用場所，選擇各部件的組成形式，其中由型鋼、型 鋼混凝土、鋼筋混凝土梁或柱構成主體框架，主體框架內由截面及承載力較小的型鋼、型鋼混凝土、鋼筋混凝土分割條劃分出若干框格，形成網格空腔，網
格空腔內為預制塊材； 步驟2:地震作用
選定一種地面加速度功率諉作為輸入地震作用，結合場地類別及設計地震 分組，確定功率譜密度函數的各個參數值及地震動持時，根據抗震設防烈度及 多遇地震、基本設防烈度地震、罕遇地震分別確定功率譜的輸入強度；
步驟3:結構計算模型的確定
由于密肋結構的獨特設計，使其具有三道抗震防線，故墻體的不同受力階 段即彈性階段、彈塑性階段、破壞階段應采用不同的力學模型；根據結構設計 參數，確定密肋結構彈性階段的等效彈性板模型在彈性階段，墻體可視為一 種以輕質砌塊為基體，混凝土肋梁、肋柱、外框為增強纖維的復合材料等效彈 性板，并可在雙向纖維單層復合材料模型的基礎上，給出墻體簡化的各向同性 計算模型；確定彈塑性階段的剛架斜壓桿模型在彈塑性階段，砌塊可以用一 個個沿砌塊對角線放置的等效斜壓桿來代替，將這一階段墻體損傷的過程簡化 地視為斜壓桿等效軸向剛度逐步衰減和混凝土框架逐步損傷的過程，從而將這 一階段的墻體簡化為一個由鋼筋混凝土剛架和與之4交接的砌塊等效斜壓桿組成 的剛架斜壓桿組合模型；確定破壞階段的梁鉸框架模型在破壞階段，假定混 凝土框架的損傷全部集中在肋梁兩端的塑性鉸區，而框架其它部分仍然處于線 彈性，相對于暗梁對外框柱和肋柱的約束程度，嚴重破損的肋梁對外框柱和肋 柱幾乎沒有約束，在梁鉸框架抗側剛度的計算中可以不予考慮，而且，暗梁的 線剛度相對較大，可以不考慮暗梁柱節點轉動對柱抗側剛度的影響；確定結構 的地震損傷模型及各模型動力計算的質量矩陣、剛度矩陣和阻尼矩陣；步驟4:可靠度計算
方法l:以隨機振動理論為依據對密肋結構進行動力計算，采用位移的首次 超越破壞準則，首先計算多遇地震強度下，等效彈性板模型超越層間位移角界 限值1/800的可靠度；其次計算基本設防烈度地震強度下，剛架斜壓桿模型超 越層間位移角界限值1/300的可靠度；最后計算罕遇地震強度下，梁鉸框架模 型超越層間位移角界限值1/100的可靠度；若上述三項可靠度計算結果均在 99. 95%以上，則結構設計滿足要求，否則按步驟5進行調整；
其中可靠度計算按下式進行
^ 0/1/800) 2 99.95% , 尸,(x, 〈1/300) 299.95% , Ps(xr〈l/100)2 99.95% ,
x,,x6 a分別為多遇地震下等效彈性板模型，基本設防烈度地震下剛架斜壓 桿模型，罕遇地震下梁鉸框架模型的位移值；c(.)為可靠度。
方法2:以隨機振動理論為^a居對密肋結構進行動力計算，采用基于累積損
傷的破壞準則，首先計算多遇地震強度下，等效彈性板模型損傷指數超越界限
值0.25的可靠度；其次計算基本設防烈度地震強度下，剛架斜壓桿模型損傷指 數超越界限值0. 65的可靠度；最后計算罕遇地震強度下，梁鉸框架模型損傷指 數超越界限值0. 95的可靠度；若上述三項可靠度計算結果均在99. 95%以上，則 結構設計滿足要求，否則按步驟5進行調整； 其中可靠度計算按下式進行
A (Z), 〈0.25)》99.95% , 〈0.65) 2 99.95%,尸,〈0.95) 2 99,95% ,
D,，化,化分別為多遇地震下等效彈性板模型，基本設防烈度地震下剛架斜壓 桿模型，罕遇地震下梁鉸框架模型的損傷指數；P乂)為可靠度。
步驟5:結構設計調整
根據可靠度計算結果，返回步驟l，調整結構設計，再對其進行計算，直到 其可靠度滿足要求為止。
進一步地，可將地震作用從小震到大震劃分為五個水準，相應的可靠度計
算限值也可進一步細化為五個限值，如層間位移角限值可:f又以下五個值1/800, 1/400, 1/300， 1/200, 1/100;損傷指數可取以下五個值0.25, 0.55, 0.65, 0.75, 0.95。
進一步地，確定結構計算模型時，可考慮結構參數的隨機性，對隨機結構 受隨機地震作用的可靠度進行計算。
實施例3:本發明實施流程第一步為結構初步設計，第二步為隨機地震作用 輸入，第三步為密肋結構多道抗震防線計算模型的確定，第四步為基于位移首 次超越破壞準則的動力可靠度計算(計算指標層間位移角)或基于累積損傷 破壞準則的動力可靠度計算(計算指標損傷指數)，第五步為結構設計調整， 若滿足可靠度要求則不進行調整，否則調整結構設計后， 按流程進行計算， 直至滿足可靠度要求為止。
權利要求
1.一種密肋結構三道防線抗震控制設計方法，其特征是包括步驟1結構設計，根據密肋結構體系的使用場所，選擇各部件的組成形式；步驟2地震作用輸入，根據功率譜密度函數表達式，確定多遇地震、基本設防烈度地震和罕遇地震的輸入強度；步驟3結構計算模型的確定，即確定密肋結構彈性階段的等效彈性板模型、彈塑性階段的剛架斜壓桿模型、破壞階段的梁鉸框架模型；步驟4可靠度計算，方法1采用位移的首次超越破壞準則，首先計算多遇地震強度下，等效彈性板模型超越層間位移角界限值1/800的可靠度；其次計算基本設防烈度地震強度下，剛架斜壓桿模型超越層間位移角界限值1/300的可靠度；最后計算罕遇地震強度下，梁鉸框架模型超越層間位移角界限值1/100的可靠度；或方法2采用基于累積損傷的破壞準則，首先計算多遇地震強度下，等效彈性板模型損傷指數超越界限值0.25的可靠度；其次計算基本設防烈度地震強度下，剛架斜壓桿模型損傷指數超越界限值0.65的可靠度；最后計算罕遇地震強度下，梁鉸框架模型損傷指數超越界限值0.95的可靠度；步驟5結構設計調整，若上述各項可靠度計算結果均在99.95％以上，則結構設計滿足要求，否則返回步驟1，調整結構設計，直到其可靠度滿足要求為止。
2. 根據權利要求l所述的一種密肋結構三道防線抗震控制設計方法，其特 征是結構計算模型的確定有如下步驟密肋結構具有三道抗震防線，故墻體的不同受力階^敬即彈性階^敬、彈塑性階段、破壞階段應采用不同的力學模型；根據結構設計參數，確定密肋結構彈 性階段的等效彈性板模型在彈性階段，墻體可視為一種以輕質砌塊為基體， 混凝土肋梁、肋柱、外框為增強纖維的復合材料等效彈性板，并可在雙向纖維 單層復合材料模型的基礎上，給出墻體簡化的各向同性計算模型；確定彈塑性 階段的剛架斜壓桿模型在彈塑性階段，砌塊可以用一個個沿砌塊對角線放置 的等效斜壓桿來代替，將這一階段墻體損傷的過程簡化地視為斜壓桿等效軸向 剛度逐步衰減和混凝土框架逐步損傷的過程，從而將這一階段的墻體簡化為一 個由鋼筋混凝土剛架和與之鉸接的砌塊等效斜壓桿組成的剛架斜壓桿組合模 型；確定破壞階段的梁鉸框架模型在破壞階段，假定混凝土框架的損傷全部 集中在肋梁兩端的塑性鉸區，而框架其它部分仍然處于線彈性，相對于暗梁對 外框柱和肋柱的約束程度，嚴重破損的肋梁對外框柱和肋柱幾乎沒有約束，在 梁鉸框架抗側剛度的計算中可以不予考慮，而且，暗梁的線剛度相對較大，可 以不考慮暗梁柱節點轉動對柱抗側剛度的影響；確定各模型動力計算的質量矩 陣、剛度矩陣及阻尼矩陣。
3.根據權利要求1或2所述的一種密肋結構三道防線抗震控制設計方法， 其特征是以隨機振動理論為依據對密肋結構進行動力計算，采用位移的首次 超越破壞準則，首先計算多遇地震強度下，等效彈性板模型超越層間位移角界 限值1/800的可靠度；其次計算基本設防烈度地震強度下，剛架斜壓桿模型超 越層間位移角界限值1/300的可靠度；最后計算罕遇地震強度下，梁鉸框架模 型超越層間位移角界限值1/100的可靠度；若上述三項可靠度計算結果均在 99. 95%以上，則結構設計滿足要求，否則按步驟5進行調整；其中可靠度計算按下式進行《(、〈1/800)2 99.95% , A "〈1/300)2 99,95% ， A〈1/100) 2 99.95% ,x, a a分別為多遇地震下等效彈性板模型，基本設防烈度地震下剛架斜壓 桿模型，罕遇地震下梁鉸框架模型的位移值；《(.)為可靠度。
4.根據權利要求1或2所述的一種密肋結構三道防線抗震控制設計方法， 其特征是以隨機振動理論為依據對密肋結構進行動力計算，采用基于累積損 傷的破壞準則，首先計算多遇地震強度下，等效彈性板模型損傷指數超越界限值O. 25的可靠度；其次計算基本設防烈度地震強度下，剛架斜壓桿模型損傷指 數超越界限值0. 65的可靠度；最后計算罕遇地震強度下，梁鉸框架模型損傷指 數超越界限值0. 95的可靠度；若上述三項可靠度計算結果均在99. 95%以上，則 結構設計滿足要求，否則按步驟5進行調整； 其中可靠度計算按下式進行A ("0.25) "9.95% ， p諷〈0.65)》99.95% ， 〈0.95)299.95% ,z),，A,d,分別為多遇地震下等效彈性板模型，基本設防烈度地震下剛架斜壓 桿模型，罕遇地震下梁鉸框架模型的損傷指數；《(.)為可靠度。
全文摘要
一種建筑結構的抗震控制設計方法，根據密肋結構體系的使用場所，選擇各部件的組成形式；根據功率譜密度函數表達式，確定多遇地震、基本設防烈度地震和罕遇地震的輸入強度；結構計算模型的確定，即確定密肋結構彈性階段的等效彈性板模型、彈塑性階段的剛架斜壓桿模型、破壞階段的梁鉸框架模型。本發明將結構設計控制限值考慮為隨機變量，應用動力可靠度理論進行結構設計；可將地震作用細化為多個水準，并可考慮結構參數的變異性。使設計和建造的工程結構能在各種可能遇到的地震作用下，它的反應和破壞性態均在設計的預期范圍內，不僅能確保生命安全，而且能確保經濟損失最少，對地震反應和破壞進行了定量的控制設計。
文檔編號E04B1/98GK101575885SQ20091008638
公開日2009年11月11日 申請日期2009年6月11日 優先權日2009年6月11日
發明者佩 劉, 姚謙峰, 鵬 常, 泉 袁, 猛 郭 申請人:北京交通大學