結構抗震性能退化的設計方法與對策

魏春梅

中煤科工集團北京華宇公司平頂山分公司（467000）

結構抗震性能退化的設計方法與對策

魏春梅

中煤科工集團北京華宇公司平頂山分公司（467000）

結構的抗震性能必將退化，為保證結構安全，需在結構設計之初考慮結構抗震性能退化。

結構；抗震性能；性能退化；齡期；可靠度

0 引言

近年來，我國較大震級的地震災害發生的頻率明顯增加，造成的巨大人員傷亡和經濟損失。城市人口密度較大，一旦發生地震，后果不堪設想。建筑物的抗震性能必將隨著時間推移而不斷降低。因此對結構抗震性能有必要進行深入研究。

1 已有的結構抗震性能退化的設計方法

由于地震易造成毀滅性的遭難，而地震預測研究相對滯后，有必要對可能發生地震區域的結構進行抗震設計。目前，普遍得到公認的設計方法是:當結構遭遇強烈地震作用時，允許次要結構或一般結構中的結構構件進入非彈性狀態，利用其變形和耗能能力耗散地震能量，使得主體結構整體處于彈性狀態而不發生倒塌，以保證建筑內部人員生命財產安全。隨著研究人員對地震記錄研究，結構抗震設計方法經歷了基于力、基于位移、基于能量、基于性能和基于損傷的不同階段。

基于力的設計方法假設結構是剛體，在地震作用下不發生相對位移，即整個結構變形均相等，同時，結構處于彈性狀態[1]。結構受到的力等于結構自重與地震加速度的乘積。基于力的設計方法優點在于簡單實用、可操作性強，缺點在于不能考慮結構非彈性變形。

基于位移的設計方法是目前全球普遍采用的設計方法，其核心思想以結構在地震作用下的位移作為控制目標，通過控制結構變形來實現結構抗倒塌設計的目的[2]。基于位移的設計方法比基于力的設計方法的進步之處在于允許結構發生非彈性變形，達到既滿足抗震要求，又滿足經濟目標。目前基于位移的設計方法通常采用結構頂點位移、延性或結構最大層間位移角作用評價或控制結構性能的指標。結構頂點位移使用較為簡便，但與延性指標相同均不能評價結構薄弱層。已有研究成果顯示,即使結構剛度沿建筑高度不變或變化均勻，也可能發生變形集中層。以結構最大層間位移角作為結構評價指標，可以準確找到結構變形最大位置。通過結構最大層間位移角來控制結構變形，可避免由層高變化帶來的評價結果的差異，因此，以最大層間位移角作為結構抗震性能評價指標是適宜的。

基于能量的設計方法從能量的角度入手，認為地震作用實質上是能量輸入，結構通過自身變形耗散地震能量。若結構耗能能力大于地震輸入能量，則結構安全；若結構耗能能力小于地震輸入能量,則結構將被破壞[3]。

目前，基于性能的設計方法實質上仍然是基于位移的設計方法，其出發點在于對不同抗震需求的建筑采用不同的控制指標[4]。針對不同的結構，通常將抗震性能劃分為不同結構性能水準、抗震設防水準以及相應的性能目標。例如，我國抗震規范中“小震不壞、中震可修、大震不倒”的設計思想即可認為是基于性能的設計方法。基于性能的設計方法可保證結構在小震作用下不發生非彈性變形；在中震作用下發生輕微破壞，不需要維修或少許維修即可達到繼續使用的目標；而在大震作用下不發生倒塌，從而保護人員生命安全。

基于損傷的設計方法認為，結構在地震作用下處于非彈性狀態時將發生損傷破壞，這種損傷破壞會不斷累積，且是不可逆的[5]。目前，基于損傷的設計方法尚不成熟，評價指標較多，得到公認的損傷理論是:結構在地震作用破壞是同時由結構的最大非線性變形與結構累積損傷共同造成的，因此在評價結構抗震性能時需考慮結構最大變形與結構累積破壞。

2 結構抗震性能退化

上述結構設計方法均未考慮到結構抗震性能隨時間的退化[6]。結構在投入使用后，由于所處的環境長期作用，如鋼材銹蝕、遭遇地震，這些情況都將對結構的抗震性能產生不利影響，導致結構可靠度不斷降低,隨著結構服役年限的增加，這種退化現象更加明顯。因此結構的抗震性能并不是不變的，而是具有時變性。傳統的不考慮結構抗震性能時變性的評估方法已不適應結構服役周期設計的要求。隨著建筑工程領域全壽命設計理念的不斷發展，以概率分析為基礎的建筑結構全壽命的時變可靠度必將成為今后評估結構抗震性能的重要理論方法。結構抗震性能總是朝不斷惡化的方向發展,且不可逆。對既有結構如何準確評價其抗震性能，如何對其剩余壽命作出預測，如何維護，對新建結構如何保證在其使用年限內安全，已成為一個迫切需要解決的問題。

3 考慮結構抗震性能退化的設計方法

已有的設計方法均假定結構在使用年限內可靠度不發生變化，不考慮結構抗震性能隨服役年限的退化。因此在結構投入使用時，結構各項性能指標均能滿足抗震需求，但隨著服役年限的增加，建筑物的安全可靠度不斷衰減且無法預測。

可見，對新建結構有必要對結構設計方法進行調整。在結構設計之初，應充分考慮環境對建筑物抗震性能的影響，以保證結構在使用年限內均能滿足使用功能和抗震需求。同時，需要對影響耐久性的設計因素適當調整，如混凝土構件的鋼筋保護層厚度與鋼材防銹漆對鋼材的起銹時間的控制作用，還需考慮經濟效益，達到安全性與經濟性。設計人員在方案設計時應考慮到，即使結構抗震性能隨時間推移而劣化，但劣化后的結構性能仍能滿足抗震需求。加強結構監護意識，對不滿足抗震需求的結構及時加固。

4 結論

1）綜述了結構抗震設計方法的發展過程，經歷了基于力的設計方法到基于損傷的設計方法。

2）已有的結構設計方法均未考慮到結構抗震性能隨時間的退化，不能對既有結構的抗震性能進行評估。

3）對現有結構設計方法提出改進意見,對影響結構耐久性的設計因素重點考慮，達到安全性與經濟性的平衡，保證即使結構抗震性能退化后仍能滿足抗震需求，對既有結構加強監護，及時加固。

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[4]Whitman R V，Reed J W，Hong S T.Earthquake damage probability matrices[A].Proceedings of the Fifth World Conference on Earthquake Engineering[C]，Rome，Italy，1973:2531～2540.

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[6]鄭怡,劉明.土梓涵等.軸壓情況下考慮抗力退化的既有配筋砌塊砌體時變可靠性分析[J].中國水運,2008,8(2):54～56.