浅谈现代建筑结构设计抗震设计方法

浅谈现代建筑结构设计抗震设计方法摘要：而随着现代社会的发展，抗震设计不仅要防止建筑物倒塌破坏，还需要根据建筑物的用途和重要性有效控制其破坏状态。这就对抗震设防目标提出了多级化要求。本文介绍了多个抗震设计方法，并对这些设计方法进行了比较。而基于性能的抗震设计方法正是为解决这个问题而提出的，是本文的主要设计方向。关键词：建筑结构；抗震设计方法；发展方向0引言建筑结构的地震反应可以用不同的变量来体现，具体在抗震设计过程中采用何种设计变量则要根据结构自身类型、地震反应特性、地震破坏模式等因素综合考虑。根据结构抗震设计变量不同再对结构抗震设计方法进行分类，大致可分为基于承载力的抗震设计法、基于位移的抗震设计方法、基于能量的抗震设计方法和基于损伤的抗震设计方法。从抗震设防目标的角度来看，目前的抗震设计方法归根结底还是以保护生命安全为单一设防目标。而随着现代社会的发展，抗震设计不仅要防止建筑物倒塌破坏，还需要根据建筑物的用途和重要性有效控制其破坏状态。这就对抗震设防目标提出了多级化要求，基于性能的抗震设计方法正是为解决这个问题而提出的。性能是一个宏观概念，不同于力或位移这样明确的物理概念，无法作为设计变量直接运用到抗震设计中，其更多是与建筑物的破坏程度相关联，而建筑物的破坏程度则可以用力、位移、能量、损伤等反应参数来表示，故基于性能的抗震设计是比基于承载力或基于位移等抗震设计更为广义的设计理念，目前进行的针对基于位移、基于能量、基于损伤等抗震设计方法的研究均以基于性能的抗震设计为主导思想。1现代建筑结构抗震设计方法研究综述1.1基于承载力的结构抗震设计基于承载力的结构抗震设计，建立在静力分析的理论之上，以惯性力的形式来反映地震作用，并按弹性方法来计算结构地震作用效应的大小、进行结构弹性位移验算，把结构构件的强度是否达到特定的极限状态作为结构失效的准则。1.1.1设计地震作用的确定在基于承载力的结构抗震设计方法中，设计地震作用取值由设防烈度的地面运动有效峰值加速度考虑放大效应和地震作用效应降低系数的综合影响后得来的，可以用如下公式表示：f=kβig/r式中：f—建筑结构总水平地震作用；k—地震系数(不同地震分区所取的相当于设防烈度水准的地面运动有效峰值加速度或地面运动峰值加速度与重力加速度的比值，它反映了不同地区设防烈度地震的强弱)；β—动力放大系数(对应于不同周期的结构反应峰值加速度与地面运动有效峰值加速度或峰值加速度比值的拟合值，它反映了不同周期体系对地震作用的动力放大效应)；i—建筑重要性系数；r—地震作用降低系数；g—结构重力荷载代表值（取恒载和可能与设计地震作用同时出现的活载之和）地震系数k反映的是不同地区设防烈度地震的强弱，根据各地区不同的地震危险性将其细分为不同地震区域，并对每个地区根据统计结果重现期给出其地震系数。动力放大系数β反映了不同周期弹性单自由度体系的动力放大效应，它通常是从相对于地面运动有效峰值加速度作归一化处理后的多条弹性加速度反应谱曲线中经归纳和简化后得到的。加速度反应谱是确定的地面运动通过一组阻尼比相同自振周期不同的单自由度体系所引起的各体系最大加速度反应与相应体系自振周期间的关系曲线。1.1.2基于承载力结构抗震设计方法的研究现状基于承载力的抗震设计法作为产生较早的方法，从20世纪年代中期开始广泛应用，经过多年的研究发展较之其他抗震设计方法相对成熟。目前加速度反应谱的短周期段的精度已基本满足工程使用要求，研究主要关注反应谱的不合理性。随着高层、超高层等长周期结构的发展，对反应谱长周期的研究也逐渐开展。考虑到现有的科技水平及设计习惯，弹性加速度反应谱仍是现阶段结构抗震设计计算的最基本依据，研究工作主要集中在结合场地影响、强震观测改进及结构时程分析对加速度反应谱的长周期段进行修正，以求使地震作用计算更加合理准确。另外对设计地震力—延性联合控制准则的核心内容rμ关系相关问题也展开了更广泛的研究：如把rμ关系与周期t联系起来，全面考虑震级、震中距和场地条件以及滞回性能的分析结果，提出针对不同延性水准和各类结构模型且与周期相关的rμt关系。考虑结构中存在的材料超强和整体超强效应，在某种程度上提高了结构的屈服水准或相当于减小了r值，寻找其对rμ规律的定量影响程度。1.2基于能量的结构抗震设计1.2.1基于能量的抗震设计方法概述基于能量的抗震设计理论是从能量的角度考虑地震地面运动对于结构的作用，概念明确，能够较好的反映地震动强度、频谱、持时对结构破坏的综合影响，从输入能量和耗散能量的角度捕捉到结构在强烈地震作用下的非弹性变形历程。由于能量分析的复杂性，基于能量的结构抗震设计方法还处在理论研究阶段，能实际运用到工程设计中的能量设计法至今还未完整的建立起来。能量概念和破坏模型一直是抗震研究中的两个论题，特别是目前基于性能的抗震设计思路的提出，又对抗震结构的耗能能力及性能的研究提出了新的要求。基于能量抗震设计方法能够考虑结构滞回变形对结构破坏影响的这一特点对于实现基于性能的抗震设计理念很有意义，因此基于能量的抗震设计方法的研究对实现基于性能的抗震设计理念的进一步发展非常重要，成为了改进传统抗震设计方法的重要发展方向。1.2.2存在的问题与今后的发展方向①对于设计地震作用的确定方式，以能量谱的形式虽然得到多数人的支持，但还没有形成一个得到普遍认可的理论基础，其谱形模式、谱值影响因素、持时对总输入能量的影响都没有得到更全面的分析，这些还有待进一步深入研究。②结构地震反应的能量分析还处于研究阶段，能量反应分析比较准确的、普遍采用的是动力时程分析法，目前将时程分析法普遍应用实际抗震设计中的条件还不成熟，而一般结构设计方法方便实用的特点也要求人们探索能量分析的简化方法。③对结构总耗能在阻尼耗能与非弹性变形耗能之间的分配、非弹性变形能结构内部层间及构件的耗能分布规律的研究结果并不十分明确。还没有建立起一个比较符合实际并得到普遍认可的结构破坏状态与能量控制参数的关系表达式，即合理的地震作用累积损伤破坏准则。④目前对能量法的研究还局限在单自由度体系的分析当中，加强对多自由度体系地震能量反应与单自由度体系反应的关系方面进行研究，对能量方法得以应用到复杂结构体系上尽早实现与工程实际抗震设计的结合有很重要的意义。基于能量的抗震设计方法与其它抗震设计方法相比，可以有效地考虑地震动持时对结构累积损伤破坏，并有概念明确、形式简单等特点，具有明显的优越性。但由于以上提到的这些问题，结构抗震设计的能量方法距离实际运用还有很长一段路要走。1.3基于损伤的结构抗震设计1.3.1基于损伤的结构抗震设计的方法概述近年来地震害经验和各国学者的研究表明：由于地震是一种往复运动，并且地震动持时一般较短，因此地震作用下的损伤不仅与最大变形有关，还与结构的低周疲劳效应所造成的累积损伤有关。用能够反映结构的变形和累积损伤效应的损伤性能参数可以更好地描述结构的非弹性性能，通过选取适当的地震损伤模型、按照结构在未来地震作用下的损伤允许值来进行抗震设计更为经济合理，由此产生了基于损伤性能的抗震设计思想。由于损伤指数的计算以结构累积滞回耗能的计算为基础，而累积滞回耗能计算正是结构能量分析中的重点，所以也可以将基于损伤的设计方法视为能量法结合了性能设计思想的延伸应用方法。基于损伤的抗震设计就是反映结构损伤程度的损伤指数作为设计指标，选取适当的地震损伤模型计算出结构的损伤指数，验算其是否满足预定的损伤性能目标。1.3.2基于损伤的结构抗震设计的特点与研究趋势采用基于地震损伤理论的损伤指数能够定量的描述结构在地震作用下的倒塌破坏情况，而且损伤指数物理意义明确。结构损伤的“三水准”性能目标反映了抗震设防水准和结构功能失效与倒塌限值，区别了不同重要性结构的性能目标，同时提高了结构抗震的功能要求。而且在基于损伤的抗震设计中用到等效位移延性系数，可以不需了解结构在动力荷载作用的时程反应而考虑结构往复弹塑性变形和累积耗能的影响。并从设计开始阶段就引入损伤指标，使损伤指标在设计过程中真正起到控制作用，体现了其方法上的先进性。由于结构的损伤机理较为复杂，许多问题还没有得到很好的解决，如结构的非弹性变形和积累滞回耗能指标确定和计算，损伤指数计算的进一步简化、准确化，结构损伤模型与结构的强度、刚度、延性等设计参数的关系分析，结构损伤谱的确定等。因此，尽管基于损伤的抗震设计方法在理论上有其合理之处，但直接采用损伤指标作为设计指标并不易为广大工程设计人员采用。1.4基于位移的结构抗震设计1.4.1基于位移的结构抗震设计概述根据设计思路的不同，基于位移的结构抗震设计大致可分为三种方法：按延性系数设计方法、能力谱法、直接基于位移的设计方法。他们不同的差别在于：直接位移法和控制延性方法是依据位移目标进行结构设计的方法，而能力谱法则更多的是一种位移验算方法。1.4.2基于位移的结构抗震设计有待进一步解决的问题①按延性要求设计的方法、能力谱法和直接基于位移的方法都是用静力方法去解决在地震作用下的结构设计问题，没有考虑诸如地震持续时间、结构往复弹塑性变形和累积耗能等因素的影响。②更深入地研究表征结构性能状态的破损指标与结构位移的关系，有可能为确定结构的目标位移提供更完善和简便的方法。③对能够应用于实际工程抗震设计的位移反应谱尤其是弹塑性位移反应谱的研究还有大量工作要做。④基于位移的抗震设计中采用的静力弹塑性分析方法存在着如何选取合适的水平力分布模式和位移分布模式等问题。1.5基于性能的结构抗震设计1.5.1基于性能的抗震设计概念组织对基于性能抗震设计的描述是“性能设计应该是选择一定的设计标准，恰当的结构形式、合理的规划和结构比例，保证建筑物的结构与非结构的细部构造设计，控制建造质量和长期维护水平，使得建筑物在遭受一定水平地震作用下，结构的破坏不超过一个特定的极限状态”。atc组织对基于性能抗震设计的描述为“基于性能抗震设计是指结构的设计标准由一系列可以取得的结构性能目标来表示，主要针对混凝土结构并且采用基于能力的设计原理”。fema对基于性能抗震设计的描述为“基于不同强度地震作用，得出不同的性能目标。1.5.2基于结构性能抗震设计的研究现状和应用前景基于结构性能的抗震设计理论尚不成熟，要广泛应用于设计还存在一定的困难，尚需对以下问题展开研究：①在地震危险性方面，要实现由烈度向地震动参数区划的过渡，按重现期或超越概率重新定义地震危险性水平。②在结构性能方面，以结构性能为基础提出抗震设防水准，定义不同结构的性能目标。对于结构“不坏”、“可修”、“不倒”等模糊的定义，采用量化数据或具体化的定性数据来描述，例如对结构和非结构构件破坏的数量和程度等。③研究和建立结构功能失效标准和结构破坏标准，将目前的以分项系数表述的极限状态表达式过渡到以可靠度指标来描述。基于结构性能的抗震设计理论是以结构抗震性能分析为基础的结构设计，是设计理念上的一次变革，涉及结构抗震设计的各个方面，对工程结构的设计和发展具有重大意义。利用该理论进行结构抗震设计，可充分发挥工程师的主动性，满足人们对结构性能的不同要求。从各国抗震设计规范修订动向来看，可以说基于性能的结构设计是21世纪抗震设计规范的趋势。2结构抗震设计方法比较2.1概述目前研究探讨的几种抗震设计新方法之中，基于性能的抗震设计最为引人瞩目。它作为一套更深更新的设计理念能够涵盖以力、位移、能量等物理量为结构反应参数的设计方法，被认为是未来抗震设计的主要发展方向。本章从基于性能结构抗震设计与现行规范设计方法的对比入手，对两者的设计思想、设防目标、抗震设计过程、抗震性能评估等方面来进行系统的比较分析，基于位移、能量、损伤等抗震设计方法与现行规范采用的方法在思路原理、控制指标、破坏准则和地震作用计算过程上的异同，放在抗震设计过程比较里进行讨论。2.2结构抗震性能水平结构抗震性能水准表示了结构在特定的某一地震设计水准下预期破坏的最大程度，结构和非结构构件破坏以及因它们破坏引起的后果，主要用结构易损性、结构功能性和人员安全性来表达。对于不同等级的抗震性能，都应该根据结构类型及结构体系、竖向和横向承载