基于性能的結(jié)構(gòu)全壽命費(fèi)用最小設(shè)計(jì)方法研究.pdf

1、性能設(shè)計(jì)要求在建筑的設(shè)計(jì)、施工和維護(hù)各個(gè)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(fēng)、溫度、振動(dòng)等)作用下的安全性和舒適性就成為性能設(shè)計(jì)中需要考慮的重要內(nèi)容。目前各國(guó)抗震規(guī)范中普遍采用以保障生命安全為主要設(shè)防目標(biāo)的“小震不壞、中震可修、大震不倒”的設(shè)防水準(zhǔn)，盡管它可以做到大震時(shí)主體結(jié)構(gòu)不倒塌以保障生命安全，但它可能導(dǎo)致小震、中震下結(jié)構(gòu)的正

2、常使用功能的喪失而引起巨大的經(jīng)濟(jì)損失；隨著建筑高度的增加，風(fēng)荷載將成為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的主要水平荷載，加上建筑結(jié)構(gòu)體系的不斷改進(jìn)、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(fēng)荷載的作用比較頻繁，脈動(dòng)風(fēng)荷載會(huì)引起高層建筑振動(dòng)，由此導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)舒適度降低也成為高層建筑設(shè)計(jì)和控制的重要因素。 本文將從結(jié)構(gòu)在地震作用下的五個(gè)不同性能水平，即“基本完好、輕微破壞、中等破壞、嚴(yán)重破壞、倒塌”，以及脈動(dòng)風(fēng)荷載作用下的舒適性能來研究結(jié)構(gòu)的

3、全壽命周期總費(fèi)用，包括初始費(fèi)用和失效損失期望。以可靠度理論和隨機(jī)振動(dòng)理論為基礎(chǔ)，將地震和脈動(dòng)風(fēng)荷載看作是隨機(jī)過程，分別用結(jié)構(gòu)的層間變形和振動(dòng)加速度作為抗震安全性能和抗風(fēng)舒適性能失效的控制指標(biāo)，用動(dòng)力可靠度的計(jì)算方法求得結(jié)構(gòu)各層基于各種性能水平的動(dòng)力可靠度，并將整個(gè)結(jié)構(gòu)看作是串聯(lián)結(jié)構(gòu)體系計(jì)算整體結(jié)構(gòu)各性能水平的失效概率。在小震和脈動(dòng)風(fēng)荷載作用下，結(jié)構(gòu)發(fā)生線彈性變形，本文將結(jié)構(gòu)的線彈性反應(yīng)計(jì)算原理和結(jié)構(gòu)動(dòng)力分析的脈沖響應(yīng)函數(shù)原理結(jié)合起來，分

4、別提出了用于結(jié)構(gòu)在小震和順風(fēng)向脈動(dòng)風(fēng)荷載作用下動(dòng)力響應(yīng)計(jì)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(yīng)函數(shù)計(jì)算結(jié)構(gòu)隨機(jī)地震和隨機(jī)風(fēng)荷載響應(yīng)數(shù)字特征的數(shù)學(xué)表達(dá)式。相對(duì)于傳統(tǒng)的振型分解法，脈沖函數(shù)法用于結(jié)構(gòu)線彈性動(dòng)力分析可以考慮高階振型的影響，具有計(jì)算精度高、計(jì)算簡(jiǎn)單的特點(diǎn)。在高層建筑的風(fēng)振舒適度分析中，采用正態(tài)分布法分析了一次強(qiáng)風(fēng)作用下的結(jié)構(gòu)可靠度，當(dāng)強(qiáng)風(fēng)年出現(xiàn)次數(shù)滿足泊松分布時(shí)，可得到設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期高層建筑基于舒適性的可靠度計(jì)算

5、公式。在中震和大震作用下，結(jié)構(gòu)將進(jìn)入彈塑性變形階段，根據(jù)結(jié)構(gòu)的恢復(fù)力模型參數(shù)，利用自編彈塑性時(shí)程分析程序可以得到結(jié)構(gòu)的最大位移響應(yīng)。在計(jì)算結(jié)構(gòu)的失效概率時(shí)，分別采用動(dòng)力可靠度法和一次二階矩法得到整體結(jié)構(gòu)對(duì)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(duì)于一個(gè)拓?fù)漕愋鸵汛_定的結(jié)構(gòu)，通過計(jì)算滿足規(guī)范要求的不同方案的全壽命期總費(fèi)用，即可得到基于性能設(shè)計(jì)的總費(fèi)用最小的方案。相對(duì)于傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法，基于性能的全