鋼筋混凝土框架結構地震主要失效模式分析與優化

原莉

【摘 要】地震災害是人類面臨的最嚴重的自然災害之一，具有極強的隨機性，不可預測性和大范圍的波及性，嚴重威脅著人類社會的生存和社會的發展。近年來頻繁發生的地震使得建筑結構大量破壞，導致大量的人員傷亡和嚴重的經濟損失。地震動強度和特性的隨機性對結構的抗震性能提出了更高的要求。傳統的結構抗震設計主要采用基于等效靜力的線彈性分析方法，不能很好的考慮結構屈服后的受力狀態和整體破壞機制，結構的材料性能未能得到充分發揮，進而出現不可預期和不可控的局部失效模式或薄弱層失效模式，最終使得結構在強震下的抗震性能未達到最優，不能有效抵抗未來潛在地震災害。因此，通過對結構的地震失效模式進行分析和優化來提升結構的整體抗震性能具有重要的意義。

【關鍵詞】鋼筋混凝土；框架結構；地震

1引言

地震是當前人類面臨的最嚴重的自然災害之一，具有極強的隨機性和大范圍的波及性，嚴重威脅著人類的生存和經濟的發展。近年來，地震災害發生的頻度和強度越來越高，如2004年發生在印度洋的8.7級大地震、2008年發生的汶川8.0級大地震、2010年發生的海地7.3級大地震、智利8.8級大地震、2011年發生的日本9.0級3.11大地震和2014年的蘆山地震等。地震累積的能量以地震波的形式向外傳播，引起大范圍的地面運動，進而引起建筑結構和橋梁結構的破壞和倒塌，導致嚴重的人員傷亡和經濟損失。地震給人類帶來災難的同時，也促使人們從中吸取經驗教訓，大力發展防震減災的手段和方法。歷次地震無不表明：土木工程方法必然是防震減災的最有效的措施，其主要包括：場地選擇及其安全性評價、抗震設計、合理施工、正確使用、維護和及時加固等。因此，對建筑結構進行合理的抗震設防是減輕結構地震災害的重要途徑。結構抗震設計由傳統的靜力法、反應譜方法發展到考慮結構延性的強度折減系數法，再到當前廣泛倡導的基于位移的抗震設計方法、基于損傷的抗震設計方法和基于性能的抗震設計方法（Performance-Based Seismic Design，PBSD）等。

2規范抗震設計方法

現行的規范抗震設計方法主要按照等效靜力的線彈性分析理論來獲得結構的內力需求，并采用能力設計方法和足夠的構造措施來確保結構“強柱弱梁”失效模式和構件屈服后性能，最終通過非線性分析來檢驗結構在大震下的位移響應是否超限。這種設計方法能保證結構在小震和中震下的抗震性能，而結構在大震下局部構件進入非線性，此時彈性理論和能力設計法不能反映結構在非線性條件下的內力分配規律，因為一旦有局部構件進入屈服，結構的內力將按照屈服后的剛度來分配。因此可以看出規范設計方法：（1）用來模擬強震下結構樓層慣性力分布的設計側向力模式，主要是根據結構的彈性振動狀態獲得的；（2）結構設計時未能考慮構件的非線性性能，特別是梁屈服后對柱端受力的影響；（3）能力設計法僅能考慮與梁相連的柱的強度放大，這實際上是一種局部強化方法；（4）未考慮強震下結構的整體失效模式。因此結構在強震下的抗震性能不能可靠的預測和控制，進而出現不可控和不可預期的失效模式。另外，必須同時清醒的認識到，地震動的隨機性使得結構在未來設計基準期內的可能遭遇地震的大小實際上是未知的，且近年來發生的地震往往超過當初設防時的強度，因此從這個角度來講，按照設防目標來設計結構，其可靠性是沒有保證的。因此，從以上分析可以看出，按當前抗震設計方法設計的結構，由于地震動的隨機性使其在強震下常形成不可預測和不可控的失效模式，結構構件的材料性能未得到充分發揮，使結構在強震下的抗震性能未達到最優，不能有效抵抗未來潛在地震災害。

3地震失效模式優化的發展

根據工程結構可靠性原理可知，結構失效模式分析存在兩類不確定性：外界荷載激勵的隨機性和結構自身的隨機性（如材料性能和結構構件幾何參數的隨機性等）。對于結構的地震失效模式，由于地震動的隨機性遠大于結構自身的隨機性，因此結構地震失效模式主要考慮地震動輸入的不確定性。由于不同地震動特性的差異，結構在不同地震動下具有不同的失效模式，即結構地震失效模式具有多樣性。因此，傳統的識別結構失效模式的方法，如準則法和理性解析法對于抗震結構來說，已不再適用，這是由于強震下結構表現出高度非線性特質，且荷載歷程是往復滯回的，非單一情況的加載。

傳統的結構地震失效模式優化是基于靜荷載作用下的線彈性結構的單目標優化問題，這與地震作用下產生高度非線性的實際結構優化問題具有很大差別。為此，一些學者對非線性優化問題進行了研究。非線性狀態下結構的優化方法主要有數學規劃算法和進化算法，常用的進化算法有EP算法、ES算法、GA算法和GP算法等。可以看出，結構的失效模式優化已經從原始的靜力彈性優化，發展到考慮非線性優化問題和多目標優化問題，并且逐步向基于性能和基于易損性的優化方向發展，但優化過程僅對典型框架結構進行了優化，且優化過程中計算量龐大的問題是結構真正實現優化設計要解決的關鍵問題。此外，由于地震極強的隨機性使得結構的抗震失效模式具有多樣性。結構在地震作用下失效的關鍵在于非最優的失效模式導致結構不能承受最大地震動。通常，結構在地震下存在一些發生概率較大的失效模式，我們稱其為結構的主要失效模式，而其它發生概率較小的失效模式，由于其出現的可能性極低，在失效模式分析中一般被忽略。因此，通過對識別結構的主要失效模式并對其進行優化設計是提高結構抗震性能的重要手段。常見的識別結構地震主要失效模式的方法有Pushover方法、時程分析方法和增量動力分析方法（Incremental Dynamic Analysis，IDA）等。Pushover方法識別結構失效模式的精度與所選擇的側向力模式密切相關，而時程分析方法和IDA方法直接依賴于所選擇的地震動。

4鋼筋混凝土框架結構地震失效模式

當結構系統中設置防屈曲支撐時，由于：（1）由于防屈曲支撐飽滿的滯回性能，將為結構提供一個附加阻尼比，使得抗震設計時的地震影響系數降低，結構遭受的地震作用將變小，最終導致結構構件比常規支撐結構的構件截面面積小；（2）由于結構構件截面變小，結構自重變小，會進一步減小結構的地震作用；（3）在構件截面設計時，相比于普通支撐的受壓穩定承載力系數，防屈曲支撐由于拉壓性能近似，未有受壓穩定承載力的折減，因此其截面面積將會比普通支撐小；（4）由于結構中添加防屈曲支撐時，防屈曲支撐能耗散大部分地震能量，保護了主體結構，使得主體結構的損傷減輕，結構震后修復的代價將降低。由于這些顯著的優點，防屈曲支撐體系的材料成本、建造和運行維護等的經濟效益是很可觀的，這使得防屈曲支撐在工程實踐中被廣泛運用。

結束語

綜上所述，地震作用是結構抗震設計的關鍵控制荷載之一。建筑結構為高冗余度結構，由于地震極強的隨機性使得結構的抗震失效模式具有多樣性。通常，僅一些發生概率較大的主要失效模式對結構的抗震可靠度有重大貢獻。因此，識別結構的主要失效模式對結構的可靠性分析及災害防御至關重要。

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