基于性能的結構全壽命費用最小設計方法研究.pdf

1、性能設計要求在建筑的設計、施工和維護各個階段都要考慮到用戶的需要，如安全性、適用性(包括舒適性)、耐久性等方面，并且要有令人滿意的性能特征和較低的建造成本，因此建筑在各種環(huán)境(地震、風、溫度、振動等)作用下的安全性和舒適性就成為性能設計中需要考慮的重要內(nèi)容。目前各國抗震規(guī)范中普遍采用以保障生命安全為主要設防目標的“小震不壞、中震可修、大震不倒”的設防水準，盡管它可以做到大震時主體結構不倒塌以保障生命安全，但它可能導致小震、中震下結構的正

2、常使用功能的喪失而引起巨大的經(jīng)濟損失；隨著建筑高度的增加，風荷載將成為結構設計的主要水平荷載，加上建筑結構體系的不斷改進、大量輕質(zhì)材料的使用等方面的因素，使得高層建筑越來越柔，以及風荷載的作用比較頻繁，脈動風荷載會引起高層建筑振動，由此導致的結構舒適度降低也成為高層建筑設計和控制的重要因素。 本文將從結構在地震作用下的五個不同性能水平，即“基本完好、輕微破壞、中等破壞、嚴重破壞、倒塌”，以及脈動風荷載作用下的舒適性能來研究結構的

3、全壽命周期總費用，包括初始費用和失效損失期望。以可靠度理論和隨機振動理論為基礎，將地震和脈動風荷載看作是隨機過程，分別用結構的層間變形和振動加速度作為抗震安全性能和抗風舒適性能失效的控制指標，用動力可靠度的計算方法求得結構各層基于各種性能水平的動力可靠度，并將整個結構看作是串聯(lián)結構體系計算整體結構各性能水平的失效概率。在小震和脈動風荷載作用下，結構發(fā)生線彈性變形，本文將結構的線彈性反應計算原理和結構動力分析的脈沖響應函數(shù)原理結合起來，分

4、別提出了用于結構在小震和順風向脈動風荷載作用下動力響應計算的加速度脈沖函數(shù)法和速度脈沖函數(shù)法，從而得到利用脈沖響應函數(shù)計算結構隨機地震和隨機風荷載響應數(shù)字特征的數(shù)學表達式。相對于傳統(tǒng)的振型分解法，脈沖函數(shù)法用于結構線彈性動力分析可以考慮高階振型的影響，具有計算精度高、計算簡單的特點。在高層建筑的風振舒適度分析中，采用正態(tài)分布法分析了一次強風作用下的結構可靠度，當強風年出現(xiàn)次數(shù)滿足泊松分布時，可得到設計基準期高層建筑基于舒適性的可靠度計算

5、公式。在中震和大震作用下，結構將進入彈塑性變形階段，根據(jù)結構的恢復力模型參數(shù)，利用自編彈塑性時程分析程序可以得到結構的最大位移響應。在計算結構的失效概率時，分別采用動力可靠度法和一次二階矩法得到整體結構對于不同性能水平的失效概率，其與不同性能水平失效值的乘積即為失效損失期望值。 對于一個拓撲類型已確定的結構，通過計算滿足規(guī)范要求的不同方案的全壽命期總費用，即可得到基于性能設計的總費用最小的方案。相對于傳統(tǒng)的設計方法，基于性能的全