建筑結構基于位移的抗震設計

高翠平

摘 要：建筑結構的抗震性能直接關乎居民的生命安全，因此如何切實提升建筑結構的抗震設計逐漸成為建筑行業的重大難題之一。研究表明建筑結構構件的位移與建筑結構的抗震能力相關。本文將通過對基于位移抗震概論、優勢以及當前抗震設計存在的難題進行分析，探索建筑結構基于位移的抗震設計方法。

關鍵詞：建筑結構;位移;抗震設計

一、引言

地震災害的發生會給當地居民帶來毀滅性的打擊，嚴重影響了社會的發展與進步。近些年來的震害及理論研究表明， 變形能力不足和耗能能力不足是結構在大震時倒塌的主要原因。[1]基于位移的建筑結構抗震設計主要就是通過改變變形能力和耗能兩方面的因素來提升建筑本身的抗震能力。

二、建筑結構基于位移的抗震設計的概論以及方法

1. 建筑結構基于位移的抗震設計的概論

地震波的發現揭開了地震神秘的面紗，同時也推進了抗震技術的發展。基于位移的抗震設計就是在預期設定的地震作用之下，以建筑結構的位移為研究對象，通過分析在地震作用下建筑結構的位移來設計能夠滿足一定抗震要求的建筑結構。基于位移的抗震設計可以更加準確地反映結構在受到地震作用時的具體表現。對于有抗震要求的建筑工程而言，采用基于位移的抗震設計可以更好地達到項目的設計要求。

2. 建筑結構基于位移的抗震設計方法

2.1延性系數法

延性系數法也被稱為能力設計法，主要就是利用建筑結構或者構建的變形能力進行抗震設計。在延性系數法中有兩個概念，一個是可資利用的延性，另一個是要求延性。前者是指某一固定的建筑結構擁有的延性，后者指的是建筑工程要求的建筑結構擁有的延性。錢稼茹先生提出了等效單自由度體系，在完成目標延性和唯一要求的求解之后，就是完成最大側移的轉換，在轉化為結構之間的層間位移之后就可以利用側移解構規則將其對結構的唯一轉化為構件的變形要求。延性系數法擁有一定的物理理論知識作為支撐，所以也就成為了很多基于位移的抗震建筑設計的重要方法之一。然而，具體的建筑結構和構件的延性會受到實際工況的影響。另外，延性系數法的使用要求比較嚴格。只有在假定的屈服機制下切所有的塑性鉸同時出現在固定位置的條件之下才能使用延性系數等量變化指標。由此可見，延性系數法不能準確的反應結構的抗震能力。

2.2能力譜法

能力譜法是將靜力彈塑性分析所得到的力-位移的曲線轉化為等效單自由度的速度-位移曲線。前者被稱為能力譜，后者是需求譜。將能力譜和需求譜同時放在一個坐標系當中就可以通過對比發現抗震性的好壞。能力譜法可以準確的反應彈塑性階段建筑結構的變化。近年來，隨著研究的不斷深入，數據分析的準確程度也在不斷提升。能力譜法是基于力分析的抗震設計，其中涉及到構建的彈塑性并且有嚴格的實驗結果作為理論基礎，所以該抗震設計方法得到了很多建筑工程團隊的使用。

2.3基于位移的直接設計方法

基于位移直接設計就是根據地震加速度和規范加速度反應譜建立不同阻尼比的設計位移反應譜。首先需要確定機構的等單自由度體系的目標位移。目標位移的求解需要需要分層進行，屈服層位移、塑形層位移之和代表單層總位移。計算過程中還涉及到了構件截面的屈服曲率、混凝土的壓應變等參數的應用。隨后是進行等效單自由度體系等效質量、等效阻尼以及等效剛度等相關系數的計算。每一步參數計算都是環環相扣，因此計算過程需要進行仔細檢驗，避免因為參數計算錯誤導致建筑結構抗震效果無法達到預期目標現象得到產生。建筑結構的抗震能力的計算是在所有構件都達到預期變形的前提下展開的。然而，實際的建筑工藝很難保證在地震來臨之時所有的構件都達到預期狀態，所以抗震能力也很難達到預期目標。

三、建筑結構基于位移的抗震設計的優勢與特點

1. 明確地震時混凝土結構的形變

基于位移的抗震設計的本質就是通過分析地震對建筑結構和構件在變形方面的影響來計算選擇合適的構件和結構的。地震發生時，劇烈的波動會導致混凝土結構產生塑性形變，更甚者混凝土結構會被撕裂。只有明確形變的方式之后，才能設計出更加符合科學原則的抗震方案。

2. 抗震性能好

傳統的抗震建筑結構只是從材料強度的方面提升整體建筑的抗震效果。然而，這樣的建筑工程在抗震方面并不具有優良的特性，抗震考驗的不僅是建筑材料的強度，同時也是對建筑結構和構件承載力的一種考驗。然而，基于位移的抗震設計就充分的利用了結構和構件的形變能力來實現抗震的作用，該抗震設計方法具有嚴密的科學公式推到，所以可靠性更強、抗震能力也更強。

3. 可靠性強

無論哪一種基于位移的抗震設計方法都是通過精確地計算得到的結構方面的數據。需要進行計算的原始數據都是通過測量得到的多，目前測量技術的飛速發展為計算結果的準確性奠定了堅實的基礎。設計人員在進行抗震設計時會考慮到多方面的因素，這也是影響抗震效果關鍵。基于位移的抗震技術的理論研究成果越來越豐富，這種抗震技術在建筑項目中的應用也越來越普遍。

四、基于位移的抗震設計面臨的問題

1. 確定目標位移曲線

只有確定了目標位移曲線才能對其進行分解，并將位移分解到不同的構件上。地震發生時，建筑結構會因為受力不均發生形變進而產生位移。位移的軌跡受到地震強度、建筑結構、構件強度等多方面因素的共同影響。另外，在建筑受到不同強度的地震影響之后表現出來的力學性能也不盡相同，每個建筑結構都有其自身受力的極限，在超越極限后，結構受到破壞位移的計算工作將會很難開展。

2. 靜力分析

受力分析是抗震設計的關鍵步驟。建筑抗震能力的強弱就是建筑結構承載力好壞的直接體現。地震時產生的力作用在構件上的方向具有很強的隨機性，受力分析的關鍵就在于受力的大小與方向。另外，地震時產生的力的種類也很多，不同種類的力具有其自身的特征，如果進行分析時沒有明確力的種類，分析結果的可靠性將會嚴重降低。

3. 構件延性研究

構件延性分析對于抗震建筑構件的選擇至關重要。只有明確每一個特殊構件的延性特性才能再設計是選擇合適的建筑結構和構件。然而，構件的特性受到構件材料、構件的所處環境等方面因素有關。這就給構件延性的研究帶來了很大的困難。很多建筑工程的環境比較復雜且惡劣，所以構建的實際延性往往無法達到理論延性。由此可見，構件延性的研究工作需要采用控制變量法進行多次實驗。

4. 等效阻尼比確定

當建筑構件屈服進入彈塑性階段后，構件滯回耗能產生的指揮組你可以使用等效阻尼比來代替。阻尼比大小的調節與地震強度有關。難點在于影響構件滯回耗能的因素比較繁雜，所以阻尼比的確定過程比較復雜。等效阻尼比雖然可以簡化計算過程，但是計算結果的準確性受到了嚴重的影響。大多數形況由于影響因素過多，所以等效阻尼比最終只能確定在一個范圍之內。

五、總結

延性系數法、能力譜法以及基于位移的直接設計方法都是基于位移的抗震設計方法，但是每一種方法的理論依據又有所不同，各自的優勢與缺點也十分的明顯。不同的建筑環境可以選擇采取適當的方法用以提升抗震效果。雖然基于位移的抗震設計抗震效果較好但是需要設計人員擁有很強的專業素養。未來基于位移抗震技術的發展將會逐漸趨于成熟，建筑行業抗震工作也將迎來春天。

參考文獻：

[1]建筑結構基于位移的抗震設計方法研究[J]. 同濟大學土木工程學院 上海200092

[2]基于位移的高層建筑結構防震設計分析[J]. 張海民，孔德領. 黑龍江科技信息. 2009（13）

[3]高層鋼筋混凝土結構位移比的調整[J]. 任冬云，施衛星，付磊. 低溫建筑技術. 2009（10）B50119C7-81B0-4E53-8F76-9AC18EB55F71