鋼框架結構基于損傷指標的抗震設計方法研究

張曉雷

（江西理工大學 建筑與測繪工程學院， 江西 贛州 341000）

0 引言

在我國近年來鋼結構建筑作為一種新型綠色建筑結構迅速崛起，鋼框架的抗震設計也成為研究的熱點問題。在實際工程中，鋼框架結構大多依據設計人員經驗完成，往往會造成巨大的浪費。本文基于能較好反應地震破壞作用的損傷指標進行抗震設計，為鋼框架結構的抗震設計提供一種新的可行的設計方法。

1 鋼框架結構抗震設計方法綜述

1.1 基于承載力抗震設計方法

在工程早期最常用的抗震設計方法就是基于承載力的設計。靜力法簡單的將結構剛接于地面以等效的靜力進行地震響應分析。但隨著結構抗震領域的研究完善，靜力法被考慮因素更加完善的反應譜法所取代。反應譜法在線性體系的抗震設計中被廣泛應用，但當結構可能進入彈塑性狀態時，其局限性便暴露了出來。

1.2 基于位移的抗震設計方法

基于位移的抗震設計方法（DBSD）是第二階段學者提出的設計方法，此時設計指標選為量化的位移[1]。其與傳統的基于承載力方法相比從整體上控制位移和層間位移角等量，從位移到承載力的計算，強度、剛度和配筋等指標反而是設計結果，初步體現了近年來基于性能抗震設計方法的思想。

1.3 基于損傷的抗震設計方法

基于損傷性能的抗震設計方法是近年來國內外學者研究的熱點[2]。與前述基于承載力和基于位移的設計方法相比，損傷指標的建立能更貼切的反應出建筑物在地震作用下的累積能量破壞。由于近年來研究主要集中在混凝土結構，歐進萍等人根據 Park & Ang 提出的雙參數損傷模型，系統地研究了鋼框架結構地震損傷理論，引起了廣泛的關注。

2 結構基于損傷指標抗震方法研究

2.1 基于損傷指標設計的創新點

基于損傷的抗震設計體現和創新了近年來提出的基于性能抗震設計(PBSD)理念。本文利用“規范設計+損傷驗算”深入研究了鋼框架結構基于損傷指標的抗震設計方法，在規定鋼結構損傷性能目標時，開創性考慮了余震作用的影響。其次，研究了Park&Ang提出的綜合考慮變形和累積損傷的雙參數模型和歐進萍提出的鋼結構雙參數損傷模型，提出其簡化的計算方法，本文基于損傷性能的抗震設計方法是為了避免工程設計中盲目增大用鋼量來提高抗震性能所造成的浪費問題。

2.2 考慮余震的損傷性能目標的建立

歷次發生地震破壞后，余震總是緊隨其后。余震具有較大的強度，并且非常的頻繁，首次地震之后，余震會進一步加劇震害，經常使未破壞的建筑倒塌。歷次地震中，很多嚴重的損失是首次地震后的頻繁余震造成的。當前的實際工程抗震設計常常僅根據地震記錄考慮單震的烈度，但由于地震作用時涉及到累積損傷對結構的損耗，在結構抗震設計時僅考慮主震作用是不合理和不完整的。結構在強余震作用時，往往已經有了初次作用后的損傷，其破壞的分析方式與完好建筑是不同的。因此結構在經歷初次的地震作用后，強余震很容易對結構破壞進行加深。近幾十年來越來越多學者建議在分析結構抗震性能以及進行抗震設計時必須全面考慮強余震的影響。本文提出的考慮余震和震害損傷的性能目標對照如表1所示。

表1 鋼框架結構考慮余震的抗震性能目標

2.3 鋼結構損傷指標的簡化計算

早期在建立損傷模型時往往僅考慮單一的參數，雖然形式簡單易懂，但不能同時準確反應結構在地震作用下的初次變形和累積損傷。 1985 年， Park 等人進行了大量梁柱破壞試驗，提出了雙參數損傷模型，可以綜合考慮地震初次破壞和結構在余震作用下的累積損傷，Park & Ang 雙參數損傷模型由于同時考慮了兩個參數，得到了國內外廣大學者的認可。Park & Ang 雙參數損傷模型最初是在鋼筋混凝土結構實驗中總結提出的，國內歐進萍等對鋼結構也進行了研究總結[3]，本文列出了簡化的鋼結構損傷指標計算公式，如式（1）所示：

3 展望及建議

總之，基于性能的抗震思想在實際工程抗震設計中的應用是抗震設計方法的創新，因此本文對鋼框架結構損傷性能的定義和研究就顯得非常有意義。一方面我們要加強實驗室模擬地震作用對鋼結構的初次破壞和累積損傷的仿真研究，另一方面要想辦法將基于損傷性能的抗震設計運用到實際工程設計中，尋找鋼結構設計中經濟和結構的安全可靠之間的平衡。