簡(jiǎn)述現(xiàn)代建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)抗震設(shè)計(jì)

摘要：而隨著現(xiàn)代社會(huì)的發(fā)展，抗震設(shè)計(jì)不僅要防止建筑物倒塌破壞，還需要根據(jù)建筑物的用途和重要性有效控制其破壞狀態(tài)。這就對(duì)抗震設(shè)防目標(biāo)提出了多級(jí)化要求。本文介紹了多個(gè)抗震設(shè)計(jì)方法，并對(duì)這些設(shè)計(jì)方法進(jìn)行了比較。而基于性能的抗震設(shè)計(jì)方法正是為解決這個(gè)問(wèn)題而提出的，是本文的主要設(shè)計(jì)方向。

關(guān)鍵詞：建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)方法發(fā)展方向

建筑結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)可以用不同的變量來(lái)體現(xiàn)，具體在抗震設(shè)計(jì)過(guò)程中采用何種設(shè)計(jì)變量則要根據(jù)結(jié)構(gòu)自身類型、地震反應(yīng)特性、地震破壞模式等因素綜合考慮。根據(jù)結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)變量不同再對(duì)結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)方法進(jìn)行分類，大致可分為基于承載力的抗震設(shè)計(jì)法、基于位移的抗震設(shè)計(jì)方法、基于能量的抗震設(shè)計(jì)方法和基于損傷的抗震設(shè)計(jì)方法。

從抗震設(shè)防目標(biāo)的角度來(lái)看，目前的抗震設(shè)計(jì)方法歸根結(jié)底還是以保護(hù)生命安全為單一設(shè)防目標(biāo)。而隨著現(xiàn)代社會(huì)的發(fā)展，抗震設(shè)計(jì)不僅要防止建筑物倒塌破壞，還需要根據(jù)建筑物的用途和重要性有效控制其破壞狀態(tài)。這就對(duì)抗震設(shè)防目標(biāo)提出了多級(jí)化要求，基于性能的抗震設(shè)計(jì)方法正是為解決這個(gè)問(wèn)題而提出的。

1現(xiàn)代建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)方法研究綜述

1.1 基于承載力的結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)

基于承載力的結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)，建立在靜力分析的理論之上，以慣性力的形式來(lái)反映地震作用，并按彈性方法來(lái)計(jì)算結(jié)構(gòu)地震作用效應(yīng)的大小、進(jìn)行結(jié)構(gòu)彈性位移驗(yàn)算，把結(jié)構(gòu)構(gòu)件的強(qiáng)度是否達(dá)到特定的極限狀態(tài)作為結(jié)構(gòu)失效的準(zhǔn)則。

1.1.1 設(shè)計(jì)地震作用的確定

在基于承載力的結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)方法中，設(shè)計(jì)地震作用取值由設(shè)防烈度的地面運(yùn)動(dòng)有效峰值加速度考慮放大效應(yīng)和地震作用效應(yīng)降低系數(shù)的綜合影響后得來(lái)的，可以用如下公式表示：F =kβIG/R 式中：F—建筑結(jié)構(gòu)總水平地震作用；k—地震系數(shù)（不同地震分區(qū)所取的相當(dāng)于設(shè)防烈度水準(zhǔn)的地面運(yùn)動(dòng)有效峰值加速度或地面運(yùn)動(dòng)峰值加速度與重力加速度的比值，它反映了不同地區(qū)設(shè)防烈度地震的強(qiáng)弱）；β —?jiǎng)恿Ψ糯笙禂?shù)（對(duì)應(yīng)于不同周期的結(jié)構(gòu)反應(yīng)峰值加速度與地面運(yùn)動(dòng)有效峰值加速度或峰值加速度比值的擬合值，它反映了不同周期體系對(duì)地震作用的動(dòng)力放大效應(yīng)）；

I—建筑重要性系數(shù)；

R—地震作用降低系數(shù)；

G—結(jié)構(gòu)重力荷載代表值（取恒載和可能與設(shè)計(jì)地震作用同時(shí)出現(xiàn)的活載之和）地震系數(shù)k 反映的是不同地區(qū)設(shè)防烈度地震的強(qiáng)弱，根據(jù)各地區(qū)不同的地震危險(xiǎn)性將其細(xì)分為不同地震區(qū)域，并對(duì)每個(gè)地區(qū)根據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果重現(xiàn)期給出其地震系數(shù)。動(dòng)力放大系數(shù)β 反映了不同周期彈性單自由度體系的動(dòng)力放大效應(yīng)，它通常是從相對(duì)于地面運(yùn)動(dòng)有效峰值加速度作歸一化處理后的多條彈性加速度反應(yīng)譜曲線中經(jīng)歸納和簡(jiǎn)化后得到的。加速度反應(yīng)譜是確定的地面運(yùn)動(dòng)通過(guò)一組阻尼比相同自振周期不同的單自由度體系所引起的各體系最大加速度反應(yīng)與相應(yīng)體系自振周期間的關(guān)系曲線。

1.1.2 基于承載力結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)方法的研究現(xiàn)狀

基于承載力的抗震設(shè)計(jì)法作為產(chǎn)生較早的方法，從20 世紀(jì)年代中期開(kāi)始廣泛應(yīng)用，經(jīng)過(guò)多年的研究發(fā)展較之其他抗震設(shè)計(jì)方法相對(duì)成熟。目前加速度反應(yīng)譜的短周期段的精度已基本滿足工程使用要求，研究主要關(guān)注反應(yīng)譜的不合理性。隨著高層、超高層等長(zhǎng)周期結(jié)構(gòu)的發(fā)展，對(duì)反應(yīng)譜長(zhǎng)周期的研究也逐漸開(kāi)展。考慮到現(xiàn)有的科技水平及設(shè)計(jì)習(xí)慣，彈性加速度反應(yīng)譜仍是現(xiàn)階段結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)計(jì)算的最基本依據(jù)，研究工作主要集中在結(jié)合場(chǎng)地影響、強(qiáng)震觀測(cè)改進(jìn)及結(jié)構(gòu)時(shí)程分析對(duì)加速度反應(yīng)譜的長(zhǎng)周期段進(jìn)行修正，以求使地震作用計(jì)算更加合理準(zhǔn)確。

1.2 基于能量的結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)

1.2.1 基于能量的抗震設(shè)計(jì)方法概述

基于能量的抗震設(shè)計(jì)理論是從能量的角度考慮地震地面運(yùn)動(dòng)對(duì)于結(jié)構(gòu)的作用，概念明確，能夠較好的反映地震動(dòng)強(qiáng)度、頻譜、持時(shí)對(duì)結(jié)構(gòu)破壞的綜合影響，從輸入能量和耗散能量的角度捕捉到結(jié)構(gòu)在強(qiáng)烈地震作用下的非彈性變形歷程。由于能量分析的復(fù)雜性，基于能量的結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)方法還處在理論研究階段，能實(shí)際運(yùn)用到工程設(shè)計(jì)中的能量設(shè)計(jì)法至今還未完整的建立起來(lái)。能量概念和破壞模型一直是抗震研究中的兩個(gè)論題，特別是目前基于性能的抗震設(shè)計(jì)思路的提出，又對(duì)抗震結(jié)構(gòu)的耗能能力及性能的研究提出了新的要求。

1.2.2 存在的問(wèn)題與今后的發(fā)展方向

①對(duì)于設(shè)計(jì)地震作用的確定方式，以能量譜的形式雖然得到多數(shù)人的支持，但還沒(méi)有形成一個(gè)得到普遍認(rèn)可的理論基礎(chǔ)，其譜形模式、譜值影響因素、持時(shí)對(duì)總輸入能量的影響都沒(méi)有得到更全面的分析，這些還有待進(jìn)一步深入研究。

②結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)的能量分析還處于研究階段，能量反應(yīng)分析比較準(zhǔn)確的、普遍采用的是動(dòng)力時(shí)程分析法，目前將時(shí)程分析法普遍應(yīng)用實(shí)際抗震設(shè)計(jì)中的條件還不成熟，而一般結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法方便實(shí)用的特點(diǎn)也要求人們探索能量分析的簡(jiǎn)化方法。

③ 對(duì)結(jié)構(gòu)總耗能在阻尼耗能與非彈性變形耗能之間的分配、非彈性變形能結(jié)構(gòu)內(nèi)部層間及構(gòu)件的耗能分布規(guī)律的研究結(jié)果并不十分明確。還沒(méi)有建立起一個(gè)比較符合實(shí)際并得到普遍認(rèn)可的結(jié)構(gòu)破壞狀態(tài)與能量控制參數(shù)的關(guān)系表達(dá)式，即合理的地震作用累積損傷破壞準(zhǔn)則。

④ 目前對(duì)能量法的研究還局限在單自由度體系的分析當(dāng)中，加強(qiáng)對(duì)多自由度體系地震能量反應(yīng)與單自由度體系反應(yīng)的關(guān)方法。基于損傷的抗震設(shè)計(jì)就是反映結(jié)構(gòu)損傷程度的損傷指數(shù)作為設(shè)計(jì)指標(biāo)，選取適當(dāng)?shù)牡卣饟p傷模型計(jì)算出結(jié)構(gòu)的損傷指數(shù)，

驗(yàn)算其是否滿足預(yù)定的損傷性能目標(biāo)。

1.3.2 基于損傷的結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)的特點(diǎn)與研究趨勢(shì)

采用基于地震損傷理論的損傷指數(shù)能夠定量的描述結(jié)構(gòu)在地震作用下的倒塌破壞情況，而且損傷指數(shù)物理意義明確。結(jié)構(gòu)損傷的“三水準(zhǔn)”性能目標(biāo)反映了抗震設(shè)防水準(zhǔn)和結(jié)構(gòu)功能失效與倒塌限值，區(qū)別了不同重要性結(jié)構(gòu)的性能目標(biāo)，同時(shí)提高了結(jié)構(gòu)抗震的功能要求。而且在基于損傷的抗震設(shè)計(jì)中用到等效位移延性系數(shù)，可以不需了解結(jié)構(gòu)在動(dòng)力荷載作用的時(shí)程反應(yīng)而考慮結(jié)構(gòu)往復(fù)彈塑性變形和累積耗能的影響。并從設(shè)計(jì)開(kāi)始階段就引入損傷指標(biāo)，使損傷指標(biāo)在設(shè)計(jì)過(guò)程中真正起到控制作用，體現(xiàn)了其方法上的先進(jìn)性。由于結(jié)構(gòu)的損傷機(jī)理較為復(fù)雜，許多問(wèn)題還沒(méi)有得到很好的解決，如結(jié)構(gòu)的非彈性變形和積累滯回耗能指標(biāo)確定和計(jì)算，損傷指數(shù)計(jì)算的進(jìn)一步簡(jiǎn)化、準(zhǔn)確化，結(jié)構(gòu)損傷模型與結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、剛度、延性等設(shè)計(jì)參數(shù)的關(guān)系分析，結(jié)構(gòu)損傷譜的確定等。因此，盡管基于損傷的抗震設(shè)計(jì)方法在理論上有其合理之處，但直接采用損傷指標(biāo)作為設(shè)計(jì)指標(biāo)并不易為廣大工程設(shè)計(jì)人員采用。

1.4 基于位移的結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)

1.4.1 基于位移的結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)概述

根據(jù)設(shè)計(jì)思路的不同，基于位移的結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)大致可分為三種方法：按延性系數(shù)設(shè)計(jì)方法、能力譜法、直接基于位移的設(shè)計(jì)方法。他們不同的差別在于：直接位移法和控制延性方法是依據(jù)位移目標(biāo)進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的方法，而能力譜法則更多的是一種位移驗(yàn)算方法。

1.4.2 基于位移的結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)有待進(jìn)一步解決的問(wèn)題

① 按延性要求設(shè)計(jì)的方法、能力譜法和直接基于位移的方法都是用靜力方法去解決在地震作用下的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)問(wèn)題，沒(méi)有考慮諸如地震持續(xù)時(shí)間、結(jié)構(gòu)往復(fù)彈塑性變形和累積耗能等因素的影響。

② 更深入地研究表征結(jié)構(gòu)性能狀態(tài)的破損指標(biāo)與結(jié)構(gòu)位移的關(guān)系，有可能為確定結(jié)構(gòu)的目標(biāo)位移提供更完善和簡(jiǎn)便的方法。

③ 對(duì)能夠應(yīng)用于實(shí)際工程抗震設(shè)計(jì)的位移反應(yīng)譜尤其是彈塑性位移反應(yīng)譜的研究還有大量工作要做。

④ 基于位移的抗震設(shè)計(jì)中采用的靜力彈塑性分析方法存在著如何選取合適的水平力分布模式和位移分布模式等問(wèn)題。