淺析給定烈度下高層結(jié)構(gòu)抗震優(yōu)化設(shè)計(jì)研究
關(guān)鍵詞：給定烈度,高層結(jié)構(gòu),抗震,優(yōu)化
0、前言
當(dāng)前，各國抗震設(shè)計(jì)理論多采用二級和三級設(shè)計(jì)思想，即以“小震不壞、中震可修，大震不倒”作為設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)，并且據(jù)此制定相應(yīng)的抗震規(guī)范和條例，按照這種以保障生命安全為基本目標(biāo)的抗震設(shè)計(jì)理論設(shè)計(jì)的建筑物，在地震中基本可以保證使用者的生命安全，然而在大震甚至中小地震出現(xiàn)的情況下，確不能有效的控制地震破壞所造成的直接和間接經(jīng)濟(jì)損失，而這種破壞往往超出了設(shè)計(jì)者的預(yù)料，超過了社會和居住者所能承受的范圍�？拐鸾Y(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)是抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理論的重大發(fā)展也是當(dāng)今結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中關(guān)于抗震結(jié)構(gòu)可靠度的一個重要發(fā)展方面。因?yàn)橥粋�結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)任務(wù)，可以有多種不同的設(shè)計(jì)方案，從所有可用的方案中選用最滿意的方案自然是理所當(dāng)然的追求。
1、目前國際上幾種優(yōu)化設(shè)計(jì)理論的發(fā)展和特點(diǎn)
在工程結(jié)構(gòu)的建筑方案、結(jié)構(gòu)拓?fù)浜筒牧洗_定后，優(yōu)化內(nèi)容就是，其主要承載結(jié)構(gòu)的截面尺寸階段的目標(biāo)函數(shù)應(yīng)包括結(jié)構(gòu)的造價(jià)和長遠(yuǎn)的經(jīng)濟(jì)和社會效益，其中后者要包括結(jié)構(gòu)服役期間運(yùn)營的直接經(jīng)濟(jì)效益的期望值(效益期望)和結(jié)構(gòu)失效帶來的損失的期望值(損失期望)。為了解決這些問題，國內(nèi)外存在幾種抗震優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。包括：
l、基于損傷性能的抗震結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì);
2、基于結(jié)構(gòu)性能的抗震結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì);
3、基于最優(yōu)設(shè)防烈度的抗震結(jié)構(gòu)優(yōu)化。
這幾種抗震結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法的主要特點(diǎn)是：
基于損傷性能的抗震設(shè)計(jì)思想和方法的提出主要是理由是：其一，通過近今年震害的調(diào)查和研究發(fā)現(xiàn)，建筑物的地震損傷不僅與結(jié)構(gòu)的層間變形有關(guān)，而且和結(jié)構(gòu)在地震過程中的累積滯回耗能有關(guān)。其止，按照現(xiàn)行抗震設(shè)計(jì)規(guī)范總體上保證了“大震不倒”的安全目標(biāo)，但地震造成的結(jié)構(gòu)損傷積極嚴(yán)重，以至難以修復(fù)，基本上喪失了使用功能。
地震損傷模型是雙參數(shù)地震損傷模型.。在強(qiáng)烈地震的往復(fù)作用下，結(jié)構(gòu)將呈現(xiàn)彈塑形變形和低周疲勞效應(yīng)對結(jié)構(gòu)地震損傷的影響。鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)基于地震損傷性能的抗震優(yōu)化設(shè)計(jì)方法的簡化計(jì)算步驟：一是最大彈塑性變形的簡化計(jì)算。大震作用下結(jié)構(gòu)的彈塑性變形計(jì)算比較復(fù)雜，可以采用樓層屈服強(qiáng)度系數(shù)求得結(jié)構(gòu)層間的最大延性系數(shù)。二是累積滯回耗能的簡化計(jì)算。
基于地震損傷性能的抗震設(shè)計(jì)方法：對于一般結(jié)構(gòu)，在常遇地震作用下(對于重要結(jié)構(gòu)，在設(shè)防烈度地震作用下)可按現(xiàn)行建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)規(guī)范進(jìn)行截面抗震驗(yàn)算和變形驗(yàn)算。在罕遇地震作用下可以進(jìn)行薄弱層地震損傷計(jì)算。即根據(jù)結(jié)構(gòu)的重要性，確定地震損傷性能目標(biāo)和損傷指數(shù)限值，確定結(jié)構(gòu)層恢復(fù)力模型及其參數(shù)，計(jì)算結(jié)構(gòu)的破壞延性系數(shù)，計(jì)算結(jié)構(gòu)在罕遇地震作用下層間彈塑性最大位移延性系數(shù)，計(jì)算正規(guī)化累計(jì)耗能參數(shù)，對結(jié)構(gòu)薄弱層的地震損傷指數(shù)進(jìn)行計(jì)算并驗(yàn)算。
基于結(jié)構(gòu)性能的抗震設(shè)計(jì)理論的基本內(nèi)容應(yīng)包括地震設(shè)防水準(zhǔn)、結(jié)構(gòu)抗震性能目標(biāo)和結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)方法等三個方面。結(jié)構(gòu)抗震性能與結(jié)構(gòu)的地震作用有關(guān)。通過地震等級有關(guān)的地震動參數(shù)的選擇，可將結(jié)構(gòu)在地震中的破壞程度控制在預(yù)計(jì)的范圍內(nèi)。另外，地震加速度峰值、頻譜和持時是反映地震動特征的三要素，也是影響結(jié)構(gòu)地震反映的重要因素，近場地震效應(yīng)對結(jié)構(gòu)也有較大的影響，而地震動三要素是與震源特征、傳播途徑、場地條件等有關(guān)的。
基于最優(yōu)設(shè)防烈度的抗震優(yōu)化設(shè)計(jì)研究主要是與現(xiàn)行規(guī)范接軌的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。它的優(yōu)化程序是：首先決策出該結(jié)構(gòu)的最優(yōu)設(shè)防烈度，然后按照此烈度進(jìn)行結(jié)構(gòu)的最小造價(jià)設(shè)計(jì)，在決策結(jié)構(gòu)的最優(yōu)設(shè)防烈度時，既要考慮結(jié)構(gòu)的近期投資，又要考慮它的長遠(yuǎn)效益。優(yōu)化程序可以分兩個層次進(jìn)行：
第一階段：進(jìn)行多遇地震作用下的彈性優(yōu)化設(shè)計(jì)，第二階段：對第一階段所得到的最優(yōu)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行一次整體彈塑性分析，驗(yàn)算薄弱層彈塑性變形是否滿足抗震規(guī)范所規(guī)定的要求，這個方法與抗震規(guī)范的設(shè)計(jì)方法相同，可稱其為“二階段優(yōu)化設(shè)計(jì)方法”，由于抗震結(jié)構(gòu)的彈性優(yōu)化設(shè)計(jì)相對來說研究的比較成熟，因此，在現(xiàn)階段采用“二階段優(yōu)化設(shè)計(jì)方法”是比較現(xiàn)實(shí)的。
基于最優(yōu)設(shè)防烈度優(yōu)化設(shè)計(jì)理論的優(yōu)點(diǎn)是：一是能夠與現(xiàn)行規(guī)范較好的結(jié)合起來，便于知道現(xiàn)階段的優(yōu)化設(shè)計(jì)應(yīng)用;二是將優(yōu)化設(shè)計(jì)分成兩個階段來計(jì)算，避免了在每一次迭代中都要同時進(jìn)行彈性分析和彈塑性分析，采用在第二階段進(jìn)行彈塑性分析，使結(jié)構(gòu)重分析的次數(shù)大大減少。同時也解決了由于無法把彈塑性位移表示為設(shè)計(jì)向量的函數(shù)所造成的困難。另外，二階段優(yōu)化設(shè)計(jì)方法對于所有類型的抗震結(jié)構(gòu)最小造價(jià)優(yōu)化設(shè)計(jì)都是適用的。
2、給定烈度下高層框架結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的研究
高層框架結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的求解過程是：首先假定各構(gòu)件的初始尺寸，然后對各構(gòu)件(梁、柱)分別進(jìn)行優(yōu)化，求出各構(gòu)件滿足各自約束的最小造價(jià)解，將優(yōu)化后的梁、柱截面尺寸組合起來重新進(jìn)行內(nèi)力分析，凍結(jié)此內(nèi)力下分別對各構(gòu)件進(jìn)行單獨(dú)優(yōu)化，如此反復(fù)迭代，直到前后兩次優(yōu)化獲得的最優(yōu)解接近(滿足精度要求)為止。這是一般的分部優(yōu)化法的求解程序。考慮到在框架結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)中側(cè)移是很重要的因互助，如何得到滿足側(cè)移的最小剛度(從而最小地震作用)以及確定各構(gòu)件的剛度分布以使它們最經(jīng)濟(jì)地達(dá)到此剛度，應(yīng)是優(yōu)化的重要。
為此，我們在單個梁、柱的優(yōu)化中均加入了層間側(cè)移約束條件，這因?yàn)轫旤c(diǎn)側(cè)移角是各層間位移角的加權(quán)平均值(以層高為權(quán))，故層間側(cè)移約束條件若滿足，則一般頂點(diǎn)側(cè)移約束條件也可滿足。梁的優(yōu)化模型中其截面高度、梁的寬度可按構(gòu)造要求給出，在優(yōu)化過程中按己知量處理�？蚣芰鹤顑�(yōu)設(shè)計(jì)所需考慮的約束條件包括：正截面承載力約束條件、斜截面承載力約束條件、一般構(gòu)造約束條件及抗震構(gòu)造約束條件等�？蚣苤哪Ｐ椭薪孛嬉瞬捎谜叫位蚪咏叫蔚男问�，所以對于柱其設(shè)計(jì)變量可取截面高度h，而取截面寬度b=h�？蚣苤顑�(yōu)設(shè)計(jì)所需考慮的約束條件包括：正截面承載力約束條件、斜截面承載力約束條件、構(gòu)造約束條件及層間側(cè)移約束條件等。對于由第一階段彈性優(yōu)化設(shè)計(jì)用分部優(yōu)化方法得到的最優(yōu)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案，按照我們二階段優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，應(yīng)該進(jìn)行第二階段在“大震”作用下薄弱層的彈塑性變形驗(yàn)算。如果滿足，則取設(shè)計(jì)變量的當(dāng)前值為最優(yōu)解;如果不滿足，則可以按50mm為模數(shù)擴(kuò)大截面或者改變薄弱層構(gòu)件的配筋，重新尋找薄弱層驗(yàn)算彈塑性變形，直至滿足為止。此時的結(jié)構(gòu)方案就是最終的最優(yōu)設(shè)計(jì)方案。
3、結(jié)語
本文對給定烈度下工程結(jié)構(gòu)抗震優(yōu)化設(shè)計(jì)進(jìn)行了研究，了解了國內(nèi)外對該理論的發(fā)展和現(xiàn)狀，對現(xiàn)行的抗震優(yōu)化設(shè)計(jì)理論同現(xiàn)行抗震設(shè)計(jì)規(guī)范相結(jié)合，采用分部優(yōu)化法對框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，通過每個構(gòu)件的最優(yōu)設(shè)計(jì)，達(dá)到整體的最優(yōu)設(shè)計(jì);在構(gòu)件設(shè)計(jì)時，考慮了承載力約束條件及各種構(gòu)造要求;通過一個梁和一個柱的算例說明了單個構(gòu)件的造價(jià)與截面間的定性規(guī)律，并說明了優(yōu)化設(shè)計(jì)對減小結(jié)構(gòu)造價(jià)的有效性。從而，推動抗震優(yōu)化設(shè)計(jì)的發(fā)展。
參考文獻(xiàn)：
[1]中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn)，建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范(GB50011-2010)，北京：中國建筑工業(yè)出版社，2010.5.31
[2]左春仁等，基于地震損傷性能的抗震設(shè)計(jì)方法.大連大學(xué)學(xué)報(bào)，2000年第21卷第6期：1-7
[3]歐進(jìn)萍等，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)基于地震損傷性能的設(shè)計(jì)，地震工程
[4]王光遠(yuǎn)，顧平，考慮震害損失的抗震結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)第四屆全國地震工程學(xué)術(shù)會議論文集，1994
[5]謝禮立，關(guān)于工程抗震設(shè)防問題的若干考慮，我國抗震設(shè)計(jì)規(guī)范學(xué)術(shù)討論文集，1993
