基于性能的建筑結構抗震設計分析

陳金華 曲鵬

摘 要：近年來，基于性能的抗震設計也逐漸成為人們廣泛關注的焦點。本文主要闡述了基于性能的抗震設計的各方面，并探討了相關的設計方法，以期為抗震設計工作的開展提供一些幫助。

關鍵詞：建筑結構；抗震設計；分析

通常建筑物本身是一個龐大而又復雜的系統，各種構件以相當復雜的方式共同工作，在遭受地震作用后它的破壞機理和破壞過程相應的都十分復雜。由于地震作用的隨機性、不確定性和復雜性，結構計算模型的基本假定與實際情況的差異，在結構分析方面不能充分考慮結構的空間作用、非彈性性質、材料時效、阻尼變化等多種因素，要準確預測結構所遭遇地震的特性和參數是很難做到的，即存在著不確定性。

因此，建筑結構工程抗震設計問題中，不是完全依賴結構抗震計算設計解決，應立足于工程抗震基本理論和長期工程抗震經驗總結的工程抗震基本概念，從結構抗震概念設計的角度，遵循結構的破壞過程和破壞機理，著眼于結構的總體地震反應，靈活運用抗震設計準則，全面合理地解決結構抗震設計中的基本問題，最終提高結構的抗震能力。

建筑結構基于性能的抗震設計方法

作為性能設計理論的重要內容，基于性能的抗震設計方法顯得尤為重要。那么怎樣合理的運用基于性能抗震設計理念則引起了人們的廣泛關注，為了能夠把它有效地運用到實際中來，有很多學者都對此進行了思考，但是卻還沒有統一的認識，通過他們的總結，我們可以知道讓性能設計思想運用到實際設計中來主要有兩種方法：

1.1傳統基于力的設計方法

這種方法在進行變形驗算之前，需要先進行基于地震作用的強度設計。但是，這種設計方法和現在的設計方法有很多不同之處，主要是結構性能水平要進行明確的量化，如果是發生多級水平的地震，那在其作用下，還要對結構性能進行驗算。如果在此過程中，要讓結構性能目標水平對結構初期的投資要有一定的考慮，那么就需要采用可靠度理論和優化思想來對其進行確認，與此同時，還能考慮到未來可能會遭遇到的地震損失。作為一種傳統的設計方法，這種方法是被普遍應用的。

1.2直接基于位移的抗震設計

這種設計方法的結構性能指標需要采用結構位移。這種方法和傳統設計方法有很大的不同之處，與之相比，這種設計方法在根本上改變了設計過程。作為一種以目標位移為設計變量的方法，這種設計思路可以根據不同的性能要求，從而考慮到建筑結構的適用性和安全性。這種設計方法在設計位移時，可以了解結構的有效周期，在此基礎上，還能知道建筑結構的具體剛度，從而可以了解建筑結構的基底剪力，再通過對其進行分析，則設計出來的配筋就會更加具體。但是因為這種方法和傳統基于力的設計方法有很大的差別，所以在進行研究工作時，不僅工作量大，而且還要細心，從而使其更加靠近工程實際，對于現在來說，這種方法還處于初期階段，尚在研究。

1. 建筑結構的隔震和消震設計

現如今，隔震和消震常被應用到抗震設計中，這是為了有效地提高建筑結構的抗震性能，一般來說，耗能元件和它的體系可以和地震動卓越周期相錯開，這是為了保證共振，以防它被破壞，還能在一定程度上對地震振動效應和風振起到一定的減輕作用。隔震的含義也就是和地震相隔離，人們設置隔震層都會設置在建筑物基礎和上部結構之間，此時就會把房屋和基礎相隔離，當地面運動的能量向建筑物傳遞時，隔離層就會起到一定的作用，這時，如果發生地震，那么建筑物的地震反應也會有所減小，建筑物只會有一些輕微的運動或者變形，這在一定程度上也確保了建筑物的安全性。如果想要消能減震，那么就需要在建筑物中設置一些消能部件，讓消能部件消耗一些能量，這些能量是通過地震傳入到建筑物中的，其中有一些是由結構的動能承擔的，此項做法也能在一定程度上也能達到抗震的目的。

地震危險性分析和建筑結構的反應

2. 地震危險性分析

在相關的設計中，人們為了有效的描述地震危險性，采用最為普遍的方法就是加速度反應譜。但是這種方法也有一定的局限性，那就是當周期超過3.0s 時，其反應譜的準確性就不是很高。所以，人們為了確切的知道地震的危險性，都會對場地進行仔細考察，這是為了讓建筑結構能夠在較長周期段了解特征化的地震需求。假設：（a）根據建筑物的反應，判斷它是是彈性的還是接近彈性的，就需要根據正常使用水準評價來完成振型分析；（b）根據建筑物是否已形成非彈性反應，就需要根據倒塌水準評價來完成非線性反應時程分析。所以，再設計相關的建筑結構時，需要對以下情況有所了解：

1）有很多個振型都會對建筑結構的地震反應產生影響，而最明顯振型反應的出現地也不確定。

2）如果想要提出與場地相關的反應譜，那首先就要對場地的構造環境有一定的了解；

3）為了達到更高的要求，建筑結構工程師在選擇和建筑物高度、結構形式相同的阻尼水準時，必須做到謹慎；

4）幾何平均值譜需求具有不確定性，可能會小于最大值譜需求，也可能會大于最小值譜需求；

5）源效應具有不確定性，長周期段的譜需求如發生變化，可能由它造成。

2. 建筑結構的反應

一般來說，如果建筑設計是建在較軟土層上，而且還具有一定的深埋實體基礎，那么就會產生不一樣的問題，那就是當知道地震動在地基層中因為深度而產生的變化規律后，那就需要了解哪種地震動在設計建筑物時才更加合適。這也被稱為基礎地震動，這種地震動和自由場地地面運動是完全不同的，這里所說的自由場地地面運動是通過地震危險性評價所預測到的。在對建筑結構進行研究時，還要對基礎下土壤液化的可能性、邊坡的穩定性和其他地震地質危險有一定的了解。為了有效的確定地震地面運動，還應該對建筑物所在地點有所考慮，在此基礎上，還要了解它和震源斷裂的位置關系、所在地區的地質特征和所選地震區的危險性。通過分析，就可以得出一條風險反應譜，這個反應譜對不同周期和不同危險性水準下的線性譜加速度值都有一定的反應，所以也就可以知道地震對該建筑物的地震危險性起的作用。

結術語

地震是一種目前難以準確預測的自然災害。為避免它給人類帶來大的災難。作為工程技術設計人員在建筑結構的研究和工程設計中，應從整體宏觀的觀點出發，綜合處理好建筑功能、技術、藝術、安全可靠性和經濟合理等幾方面內容，從而創造出更加安全、實用、經濟美觀的建筑。

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（作者單位：山東安盛建筑規劃設計有限公司）