基于性能的鋼結構抗震設計方法探討及其改進分析

羅曉波

（內蒙古鴻德文理學院，內蒙古自治區 呼和浩特 014010）

地震是一種突發性強、破壞性強、難以預測的自然災害，并且地震釋放的能量會造成山體崩塌、泥石流、海嘯等次生災害，給人民的生命和財產帶來巨大威脅。近半個世紀以來，國內的小級別地震時有發生，造成的危害較小，但如唐山大地震、汶川地震、玉樹地震造成了巨大的人員和財產損失。2023年12月19日，甘肅積石山縣發生6.2 級地震，導致房屋嚴重損壞，百姓無家可歸。面對地震，人們感到無能為力，但是可以探索具有抗震性能的建筑物，提高建筑物的防震等級，最大限度保證人們的生命財產安全。20 世紀90年代，美國就興起了基于性能的抗震設計思想，并應用到實踐當中。鋼結構作為常見的建筑物，一直在積極探索既能夠保證生命安全，又最大限度降低經濟損失的抗震設計方法。

1 提高建筑物抗震性能的重要性

1.1 保護人民群眾生命及財產的安全

隨著社會發展，建筑物也在不斷發展，不僅打造滿足人們生產生活所需的建筑物，而且打造具有特色的建筑物，讓其成為城市中一道靚麗的風景。國家為保證建筑物的質量，出臺各種標準，明確對建筑物抗震性能提出了要求，這主要因為建筑物是人們學習、工作、生活的重要場所，一旦發生地震災害，建筑物可成為避難場所，若房倒屋塌，將會造成更大的損失。據相關數據顯示，中國有5 大地震區和23 條地震帶，是世界上大陸強震最多的國家。自1900年以來，中國境內6 級以上的地震超過800 次，只有貴州、浙江兩省和香港特別行政區未有相關記錄，其他各省均遭受過6 級以上的地震。在2023年，全國2 級以上的地震達608 次，遍布101 個行政區，其中河北、四川、云南、甘肅、青海五省發生的次數較多，發生頻率最多的是四川和甘肅，超過20 次，級數最高的是甘肅積石山地震，達到6.2 級。我國的地震類型較多，并且發生頻率比較高，6 級以上的地震造成的危害較大。為了保證人民的生命和財產安全，迫切需要提高建筑物的抗震能力。

1.2 建筑企業發展的要求

建筑物品體積較大，使用年限較長，并且是人們居住和生活的場所，因此國家對建筑質量作出了明確的規定。作為建筑企業，面對頻發的地震事件，國家對抗震標準的規定，人們對建筑物抗震性能的要求，促使企業重視建筑物的抗震性能，并且抗震性已經成為建筑物在市場發展中的主流。也就是說，在未來的市場中，建筑企業想要在激烈的市場競爭中站穩腳跟，就要不斷提高建筑物的質量，提高建筑物的性能，尤其對于地震發生較為頻繁的場所，抗震性能更是評價建筑物質量的重要指標。同時，建筑物品關乎人們的日常生活，一旦發生地震災害，抗震等級低的建筑物，將加劇地震災害，而抗震等級高的建筑物，將會為人們的生命安全提供保障。因此，建筑企業要承擔更多的社會責任，不斷提高建筑物的抗震能力。

2 鋼結構的抗震優勢

國內的工程建設主要有砌體結構、鋼筋混凝土結構、鋼結構等，從國內各地地震災害造成的危害來看，倒塌的主要是泥土、磚石等結構的建筑物，這主要是泥土、混凝土、砌體屬于剛性連接，各部分連接較弱，導致建筑物的延展性較低，并且由于建筑物自身比重較大，在地震的拉伸下，很容易被拉伸變形，失去支撐，最后倒塌，進而造成人員傷亡和財產損失。鋼結構同其他結構的建筑物相比，其在抗震上具有明顯的優勢：一是鋼結構的重量相對較輕，一旦發生地震，依然能夠保持建筑物的穩定性，不易塌落；二是鋼結構具有較強的可塑性，一旦發生地震，鋼結構可通過變形來吸收地震能量，進一步降低地震造成的危害；三是鋼結構雖然構件尺寸精度較高，但是在新技術的推動下，很容易控制制作和施工過程，進而保證建筑物的精度和安全性。從實踐角度來看，鋼結構建筑物不僅在市場上具有競爭優勢，而且在強大的地震災害面前，具有較強的抗震性能，能夠保證建筑物的穩定性和整體安全性，最大限度地降低自然災害造成的危害，保證人民生命和財產安全。

3 基于性能的抗震設計理論及特點

3.1 基于性能的抗震設計理論

基于性能的抗震設計標準，主要從如下三個方面展開：一是地震作用的水準。從實踐角度來看，地震的發生頻率與地震的強度呈反向關系，也就是強度大的地震發生的頻率低，強度小的地震發生頻率高。現階段，國內的地震主要被分為三個等級，分別是多遇地震、設防地震和罕遇地震，也就是小震、中震和大震，發生的概率分別為63.5%，10%和2.5%。在20世紀50年代到70年代，中國抗震設計采用單一的設防目標，只需要結構和構件滿足強度即可。通過改進，實施三個等級的設防目標，讓建筑物的抗震目標更加精準，能夠確保地震安全，減輕在發生地震之后而造成的人員傷亡。二是結構性能水準及量化指標。在發生地震之后，建筑物的性能就體現出來，在評價建筑物的性能標準時，不僅關注建筑物結構的破壞程度，還考慮建筑物內物品、設施的破壞程度。在《建筑抗震設計規范》中，將建筑物的破壞程度分為五個等級，其中第一等級是結構功能完整，無需修整就能夠入住，隨著等級的提升，破壞程度加大；第五等級是結構發生倒塌，已經喪失其原有功能，需要拆除重建。三是抗震性能目標的確定。抗震性能的目標不能僅從建筑結構出發，還要考慮投資與效益、震后的經濟損失和人員傷亡，潛在的文化歷史價值等多方面的內容。

3.2 基于性能的抗震設計特點

隨著建筑物的發展，建筑物設計理論也不斷推進，1992年，美國J P Moehle 先生率先提出了基于性能的抗震設計理論，并將其應用到橋梁設計領域。中國的學者和專家充分汲取Moehle 的觀點，并結合實際情況，不斷完善適合我國的抗震設計體系。現階段，國內基于性能抗震設計理論的特點主要表現在如下幾個方面：一是采用多級設防目標。為保護人民的生命財產安全，降低社會經濟損失，減少社會承受的壓力，提出了抗震設防標準，即“小震不壞，中震可修，大震不倒”。二是引入投資和效益準則。根據基于性能抗震設計理論的內容，在建筑物的結構上從重視安全逐漸向重視結構的功能、安全、經濟等方面內容出發，也就是平衡建筑物的可靠性和經濟之間的關系，進而來確定最佳的抗震設計方案。三是具有更大的自由度。原有的抗震設計需要按部就班，結構人員無法自行根據建筑物的實際情況進行調整，缺乏靈活性，比較被動。基于性能的抗震設計，一方面滿足了共性的要求外，還可以進行個性化設計。甲方與設計人員進行溝通，設計人員根據甲方的用途、特殊要求來確定機構性能目標，選擇合適的設計方法，這樣，既達到了構造性能的要求，也充分調動設計人員的積極性，更有利于新材料、新技術的使用和開發。

4 基于性能的抗震設計方法

4.1 基于位移的設計方法

基于位移的抗震設計主要有如下三種方法：一是按延性系數設計的方法。此種方法就是建立構件的位移延性系數，保證其能夠達到最大的極限壓，進而讓構件達到延性要求。

二是能力譜方法。此種方法最早出現于1975年，由Freeman 率先提出。此種設計方法是將能力譜曲線和地震反應譜轉化而來的需求譜，對其進行比較、分析、評估，進而得出其抗震性能。能力譜方法主要是從結構的實際性能方面出發，對其進行驗算、評估。此外，此種方法主要適用于平面結構，或者是分布較為均勻的結構當中，若應用到比較復雜的建筑結構設計當中，其所產生的誤差會偏大，不僅影響計算結果，而且也對工程的實際建設質量產生一定的影響，導致建筑物的抗震性能不佳。

三是直接基于位移的方法。此種方法主要是在一定水準的地震下來判斷位移發生的情況。通過進行結構設計，這樣不僅能夠讓鋼結構的構件達到預期變形的效果，而且也能夠在預期的位移范圍之內，進而讓鋼結構的構件達到理想的抗震效果。

4.2 能量設計法

能量設計法是從地震對結構物及內部設施破壞的角度出發，指出其主要是由輸入的能量與結構物所消耗的能量共同決定的。依據此種方法進行設計，能夠預估鋼結構建筑物被破壞的程度，但最大的缺點是存在太多不確定因素，應用起來比較繁瑣。

4.3 綜合設計法

綜合設計法是讓在投資最少的情況下讓建筑物達到基本性能目標。也就是說，綜合設計法不僅需要考慮抗震的諸多因素，體現了建筑結構抗震的設計理念，讓其能夠有效地抗擊不同等級的地震，最大限度降低地震所造成的損失。同時，還要盡量降低工程建設所消耗的資金。綜合考慮建筑物的抗震性能和投入的資金，既能夠保證建筑物的質量，也能夠降低成本，提高經濟效益。此種方法雖然兼顧了抗震和利益兩方面的內容，但是需要考慮的因素甚多，并且涉及的范圍比較廣，導致整個設計過程非常繁瑣，需要反復論證，在設計上就耗費較長時間。

5 鋼結構基于性能的抗震設計

隨著社會的發展，中國在基于性能的抗震設計研究上已經取得了較好的發展成果，但由于人們認識的局限性，實踐環境的復雜性，還無法完全依靠計算來保證建筑結構的安全性和穩定性。因此，在基于性能的抗震設計上，還要從結構概念設計和細節構造設計等方面出發，充分考慮建筑主體和內部結構的承載能力。通過上文論述，結合工作實踐，筆者基于性能的抗震設計理念對鋼結構建筑進行改進設計。

一是將鋼結構目標性能劃分多個水準，不僅明確各個指標，而且還要進行量化。同時，還要考慮結構的投資，以及未來可能遭受的地震及造成的損失，結合理論知識將其確定下來。

二是加強概念設計，從宏觀角度對整個鋼結構進行控制設計，也就是說，在設計的過程中要將整個結構看成一個整體，選擇合適的結構體系，以此來保證結構和構件的延展性。

三是從變形指標角度出發，綜合評價鋼結構的抗震性能，評價控制結構構件的損傷程度，以及非結構構件的性能水平。通過這些內容和指標來判斷在不同的地震等級下，可能遭受的地震損失，進而進行設計，并且保證鋼結構在使用周期的過程中投入的費用最少。通過合理設計，讓整個結構具有定性、定量、簡潔方便的特點，不僅縮短了設計周期，而且也合理優化各項指標，提高了鋼結構的控制和協調能力。

6 結論

隨著建筑企業的發展，人們的認知和技術能力及建筑物的設計方法也在不斷革新。基于性能的抗震設計方法是建筑體系中設計理念的變革，其以性能為導向來設計建筑結構，對工程結構的設計和發展具有重大意義。同傳統的抗震設計方法相比，基于性能的抗震設計方法能夠充分發揮設計者的主觀能動性，并且讓建筑結構更加精準、靈活、可靠。現階段，基于性能的抗震設計方法雖然在具體應用中還存在不足，但是其也具有無可比擬的優越性，促使其成為建筑行業在實踐領域的重要設計方法。未來，隨著研究的深入和技術的不斷完善，基于性能的抗震設計理論將會在建筑領域發揮其最大優勢，引領和推動建筑行業的發展。