淺談現(xiàn)代建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)抗震設(shè)計(jì)方法研究

　　關(guān)鍵詞：建筑結(jié)構(gòu),抗震設(shè)計(jì),發(fā)展與展望

　　引 言

　　就目前而言，建筑結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)可以用不同的變量來體現(xiàn)，具體在抗震設(shè)計(jì)過程中采用何種設(shè)計(jì)變量則要根據(jù)結(jié)構(gòu)自身類型、地震反應(yīng)特性、地震破壞模式等因素綜合考慮。依據(jù)結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)變量的不同對結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)方法進(jìn)行分類，大致可分為基于承載力的抗震設(shè)計(jì)法、基于位移的抗震設(shè)計(jì)方法、基于能量的抗震設(shè)計(jì)方法和基于損傷的抗震設(shè)計(jì)方法。

　　1、分析現(xiàn)代建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)方法

　　1.1 基于承載力的結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)

　　基于承載力的抗震設(shè)計(jì)，建立在靜力分析理論之上，以慣性力的形式來反映地震作用，并按彈性方法來計(jì)算結(jié)構(gòu)地震作用效應(yīng)的大小、進(jìn)行結(jié)構(gòu)彈性位移驗(yàn)算，把結(jié)構(gòu)構(gòu)件的強(qiáng)度是否達(dá)到特定的極限狀態(tài)作為結(jié)構(gòu)失效的準(zhǔn)則。

　　1.1.1 設(shè)計(jì)地震作用的確定

　　在基于承載力的結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)方法中，設(shè)計(jì)地震作用取值由設(shè)防烈度的地面運(yùn)動(dòng)有效峰值加速度考慮放大效應(yīng)和地震作用效應(yīng)降低系數(shù)的綜合影響后得來的，可以用如下公式表示：F = kβIG/R

　　式中：F—建筑結(jié)構(gòu)總水平地震作用;

　　k—地震系數(shù)(不同地震分區(qū)所取的相當(dāng)于設(shè)防烈度水準(zhǔn)的地面運(yùn)動(dòng)有效峰值加速度或地面運(yùn)動(dòng)峰值加速度與重力加速度的比值，它反映了不同地區(qū)設(shè)防烈度地震的強(qiáng)弱);β —動(dòng)力放大系數(shù)(對應(yīng)于不同周期的結(jié)構(gòu)反應(yīng)峰值加速度與地面運(yùn)動(dòng)有效峰值加速度或峰值加速度比值的擬合值，它反映了不同周期體系對地震作用的動(dòng)力放大效應(yīng));

　　I—建筑重要性系數(shù);

　　R—地震作用降低系數(shù);

　　G—結(jié)構(gòu)重力荷載代表值(取恒載和可能與設(shè)計(jì)地震作用同時(shí)出現(xiàn)的活載之和)地震系數(shù)k 反映的是不同地區(qū)設(shè)防烈度地震的強(qiáng)弱，根據(jù)各地區(qū)不同的地震危險(xiǎn)性將其細(xì)分為不同地震區(qū)域，并對每個(gè)地區(qū)根據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果按475 年重現(xiàn)期給出其地震系數(shù)。動(dòng)力放大系數(shù)β 反映了不同周期彈性單自由度體系的動(dòng)力放大效應(yīng)。

　　1.2 基于能量的結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)

　　1.2.1 基于能量的抗震設(shè)計(jì)方法概述

　　由于能量分析的復(fù)雜性，基于能量抗震設(shè)計(jì)方法能夠考慮結(jié)構(gòu)滯回變形對結(jié)構(gòu)破壞影響的這一特點(diǎn)對于實(shí)現(xiàn)基于性能的抗震設(shè)計(jì)理念很有意義，因此基于能量的抗震設(shè)計(jì)方法的研究對實(shí)現(xiàn)基于性能的抗震設(shè)計(jì)理念的進(jìn)一步發(fā)展非常重要，成為了改進(jìn)傳統(tǒng)抗震設(shè)計(jì)方法的重要發(fā)展方向。

　　1.3 基于損傷的結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)

　　1.3.1 基于損傷的結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)的方法概述

　　由于損傷指數(shù)的計(jì)算以結(jié)構(gòu)累積滯回耗能的計(jì)算為基礎(chǔ)，而累積滯回耗能計(jì)算正是結(jié)構(gòu)能量分析中的重點(diǎn)，所以也可以將基于損傷的設(shè)計(jì)方法視為能量法結(jié)合了性能設(shè)計(jì)思想的延伸應(yīng)用方法�；�于損傷的抗震設(shè)計(jì)就是反映結(jié)構(gòu)損傷程度的損傷指數(shù)作為設(shè)計(jì)指標(biāo)，選取適當(dāng)?shù)牡卣饟p傷模型計(jì)算出結(jié)構(gòu)的損傷指數(shù)，驗(yàn)算其是否滿足預(yù)定的損傷性能目標(biāo)。

　　1.4 基于位移的結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)

　　1.4.1 基于位移的結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)概述

　　根據(jù)設(shè)計(jì)思路的不同，基于位移的結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)大致可分為三種方法：按延性系數(shù)設(shè)計(jì)方法、能力譜法、直接基于位移的設(shè)計(jì)方法。他們之間的差別在于：直接位移法和控制延性方法是依據(jù)位移目標(biāo)進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的方法，而能力譜法則更多的是一種位移驗(yàn)算方法。

　　1.4.2 基于位移的結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)有待進(jìn)一步解決的問題

　�、� 按延性要求設(shè)計(jì)的方法、能力譜法和直接基于位移的方法都是用靜力方法去解決在地震作用下的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)問題，沒有考慮諸如地震持續(xù)時(shí)間、結(jié)構(gòu)往復(fù)彈塑性變形和累積耗能等因素的影響。

　�、� 更深入地研究表征結(jié)構(gòu)性能狀態(tài)的破損指標(biāo)與結(jié)構(gòu)位移的關(guān)系，有可能為確定結(jié)構(gòu)的目標(biāo)位移提供更完善和簡便的方法。

　　③ 對能夠應(yīng)用于實(shí)際工程抗震設(shè)計(jì)的位移反應(yīng)譜尤其是彈塑性位移反應(yīng)譜的研究還有大量工作要做。

　　④ 基于位移的抗震設(shè)計(jì)中采用的靜力彈塑性分析方法存在著如何選取合適的水平力分布模式和位移分布模式等問題。

　　1.5 基于性能的結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)

　　1.5.1 基于結(jié)構(gòu)性能抗震設(shè)計(jì)的研究現(xiàn)狀和應(yīng)用前景

　　基于結(jié)構(gòu)性能的抗震設(shè)計(jì)理論尚不成熟，要廣泛應(yīng)用于設(shè)計(jì)還存在一定的困難，尚需對以下問題展開研究：

　�、� 在地震危險(xiǎn)性方面，要實(shí)現(xiàn)由烈度向地震動(dòng)參數(shù)區(qū)劃的過渡，按重現(xiàn)期或超越概率重新定義地震危險(xiǎn)性水平。

　�、� 在結(jié)構(gòu)性能方面，以結(jié)構(gòu)性能為基礎(chǔ)提出抗震設(shè)防水準(zhǔn)，定義不同結(jié)構(gòu)的性能目標(biāo)。對于結(jié)構(gòu)“不壞”、“可修”、“不倒”等模糊的定義，采用量化數(shù)據(jù)或具體化的定性數(shù)據(jù)來描述，例如對結(jié)構(gòu)和非結(jié)構(gòu)構(gòu)件破壞的數(shù)量和程度等。

　�、� 研究和建立結(jié)構(gòu)功能失效標(biāo)準(zhǔn)和結(jié)構(gòu)破壞標(biāo)準(zhǔn)，將目前的以分項(xiàng)系數(shù)表述的極限狀態(tài)表達(dá)式過渡到以可靠度指標(biāo)來描述。

　　2、比較結(jié)構(gòu)抗震的設(shè)計(jì)方法

　　2.1 抗震抗震性能水平

　　結(jié)構(gòu)抗震性能水準(zhǔn)表示結(jié)構(gòu)在特定的某一地震設(shè)計(jì)水準(zhǔn)下預(yù)期破壞的最大程度，結(jié)構(gòu)和非結(jié)構(gòu)構(gòu)件破壞以及因它們破壞引起的后果，主要用結(jié)構(gòu)易損性、結(jié)構(gòu)功能性和人員安全性來表達(dá)。對于不同等級的抗震性能，都應(yīng)根據(jù)結(jié)構(gòu)類型、結(jié)構(gòu)體系、豎向和橫向承載構(gòu)件、結(jié)構(gòu)變形等方面加以定義，應(yīng)該表達(dá)為量化指標(biāo)，以便工程設(shè)計(jì)和評估。我國規(guī)范中的提法“不壞”、“可修”、“不倒”其實(shí)就是對結(jié)構(gòu)在地震作用下的性能水平的描述，具體敘述為“小震”對應(yīng)一般不受損壞或不需修理可繼續(xù)使用水平;“中震”對應(yīng)可能損壞，經(jīng)一般修理或不需修理仍可繼續(xù)使用;“大震”對應(yīng)不致倒塌或發(fā)生危及生命的嚴(yán)重破壞。這一提法已經(jīng)包含了一定的性能設(shè)計(jì)思想，只是對性能水平的描述比較模糊，水平之間的界定不明確，在實(shí)際設(shè)計(jì)中很難實(shí)現(xiàn)對結(jié)構(gòu)性能的有效控制。

　　2.2 結(jié)構(gòu)的抗震性能目標(biāo)

　　結(jié)構(gòu)的抗震性能目標(biāo)是指建筑物在各設(shè)計(jì)地震水準(zhǔn)下期望達(dá)到的相應(yīng)性態(tài)水準(zhǔn)集合。三級性能目標(biāo)與按重要性劃分的三類建筑一一對應(yīng)，取每級地震作用水準(zhǔn)下的最低性能要求組合作為該類結(jié)構(gòu)的規(guī)定最低性能水準(zhǔn)目標(biāo)。在一個(gè)或多個(gè)設(shè)計(jì)地震作用水準(zhǔn)上選擇更高的性能目標(biāo)，雖然在一定程度上會(huì)提高建筑造價(jià)，卻能減免以后可能會(huì)產(chǎn)生的損失。這種性能目標(biāo)的制定方式充分體現(xiàn)了基于性能抗震設(shè)計(jì)的自主性和靈活性。

　　3、展望

　　抗震設(shè)計(jì)方法理論是一個(gè)非常龐大和復(fù)雜的課題，本文對這一理論的研究由于時(shí)間和能力的有限還不夠深入和細(xì)致。在未來的研究中，還有許多方面需要進(jìn)一步的探討：

　�、� 在對不同抗震設(shè)計(jì)方法里設(shè)計(jì)地震作用水準(zhǔn)的確定和劃分的進(jìn)行比較時(shí)還應(yīng)該對其所采用的地震危險(xiǎn)性分析方法和地震動(dòng)參數(shù)分區(qū)劃分情況等方面進(jìn)行分析和比較。

　�、� 對取不同設(shè)計(jì)參數(shù)來進(jìn)行設(shè)計(jì)的抗震方法待研究進(jìn)一步成熟完善之后，應(yīng)當(dāng)就破壞準(zhǔn)則、地震破壞模型以及各自實(shí)際設(shè)計(jì)應(yīng)用中的控制效果進(jìn)行更為詳細(xì)深入的實(shí)例比較。

　　③ 對不同抗震設(shè)計(jì)方法的比較還處于設(shè)計(jì)目標(biāo)和分析方法比較的階段，今后還應(yīng)擴(kuò)展到對結(jié)構(gòu)的整個(gè)生命周期的使用效果和投資效益比較，以綜合權(quán)衡各方法的長處與缺陷。

　　參 考 文 獻(xiàn)

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