現代建筑結構抗震設計方法研究

郭 華 江雄華

（1、江西省德安縣建筑設計室，江西 德安 330400 2、江西省弋陽縣城鄉(xiāng)規(guī)劃建設局，江西 弋陽 334400）

1 前言

建筑結構的地震反應可以用不同的變量來體現，具體在抗震設計過程中采用何種設計變量則要根據結構自身類型、地震反應特性、地震破壞模式等因素綜合考慮。依據結構抗震設計變量的不同對結構抗震設計方法進行分類，大致可分為基于承載力的抗震設計法、基于位移的抗震設計方法、基于能量的抗震設計方法和基于損傷的抗震設計方法。目前我國抗震設計是一種以承載力為主同時含有部分性能設計思想的方法。

2 基于承載力的結構抗震設計

基于承載力的抗震設計，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，并按彈性方法來計算結構地震作用效應的大小、進行結構彈性位移驗算，把結構構件的強度是否達到特定的極限狀態(tài)作為結構失效的準則?；诔休d力的結構抗震設計方法是現行規(guī)范中普遍應用的基于承載力并考慮結構延性的抗震設計方法。

2.1 設防目標

現代基于承載力的結構抗震設計目標大致分為三個水準：第一水準對應抗震正常使用極限狀態(tài)，就是在該狀態(tài)下結構的功能和使用應不受影響，這意味著結構和非結構構件都不會發(fā)生需要修復的損傷。第二水準對應結構損傷控制極限狀態(tài)，在該狀態(tài)下結構中受力較充分的部位已經進入屈服后變形狀態(tài)。第三水準對應人在地震中能夠幸存的極限狀態(tài)，在這一極限狀態(tài)下雖然容許結構出現不可修復的損傷，但要求保持較好的整體性而不倒塌。

2.2 結構構件抗震承載力的驗算

在結構構件抗震力驗算過程中，設計地震作用力以單獨的一項乘以荷載分項系數加入到結構構件的承載力驗算的作用效應計算中。當以"承載力準則"來考察抗震結構的安全水準時，地震力則被視為一項"荷載"，并以相應地震作用分項系數的取值體現其對構件可靠性水準的影響。當以"設計地震力-延性"聯合準則來綜合權衡抗震結構的安全水準時，地震作用效應和其他荷載效應的組合效應起確定結構構件屈服水準的作用。

2.3 結構地震作用降低系數與抗震措施

現代抗震設計所采用的思路是用相對于設防烈度地震水準而言降低了的地震作用參與組合來進行結構的承載能力設計，以使結構在較低的地震作用時保持彈性工作狀態(tài)；在較大的地震作用下，則引導結構以合理的方式進入屈服后反應狀態(tài)，通過結構的非彈性變形來抵御一部分地震作用，使結構在不同水準的地震作用下滿足相應的設防水準要求。得出的基本規(guī)律是：如果以結構始終保持彈性反應所需要的設計地震作用為基準，則對不論屬于哪個特定地震分區(qū)的結構而言，其取用的設計地震作用越低，結構在相同水準地震作用下達到的屈服后水平位移就越大，或者說位移延性需求就越高。

2.4 基于承載力結構抗震設計方法的特點

① 與傳統(tǒng)的結構設計方法接近，便于工程設計人員理解和操作。

② 基于承載力的抗震設計以慣性力的形式來反映地震作用，視結構為彈性體系，以結構固有頻率所對應的最大地震反應為控制值，按彈性方法計算結構地震作用效應。

③ 加速度反應譜理論取用的是整個反應過程中的最大值，不能給出結構地震反應的全過程，沒有考慮地震動的持時特性。

2.5 基于承載力結構抗震設計方法的研究現狀及發(fā)展趨勢

基于承載力的抗震設計法作為產生較早的方法，經過多年的研究發(fā)展較之其他抗震設計方法相對成熟。目前加速度反應譜的短周期段的精度已基本滿足工程使用要求，研究主要關注反應譜的不合理性。隨著高層、超高層等長周期結構的發(fā)展，對反應譜長周期的研究也逐漸開展。

3 基于能量的結構抗震設計

基于能量的抗震設計理論是從能量的角度考慮地震地面運動對于結構的作用，概念明確，能夠較好的反映地震動強度、頻譜、持時對結構破壞的綜合影響，從輸入能量和耗散能量的角度捕捉到結構在強烈地震作用下的非彈性變形歷程。由于能量分析的復雜性，基于能量的結構抗震設計方法還處在理論研究階段，能實際運用到工程設計中的能量設計法至今還未完整的建立起來。能量概念和破壞模型一直是抗震研究中的兩個論題，特別是目前基于性能的抗震設計思路的提出，又對抗震結構的耗能能力及性能的研究提出了新的要求。

3.1 基于能量的抗震設計方法的特點

① 基于能量的抗震設計方法從能量的角度考察地震對結構的作用和結構的損傷破壞的相互關系，用地震輸入能量在結構中的轉化、耗散來解釋整個地震作用過程，原理更加清晰簡潔。

② 結構地震反應的能量分析方法以能量作為地震作用參數能夠較好地反映結構在地震地面運動作用下的非線性性質及地震動三要素（幅值、頻譜特性和持時）對結構抗震性能影響。

③ 能量分析采用動力時程分析方法，能夠求得結構地震反應的全過程，使塑性累計損傷對結構破壞的影響能夠清晰的反映出來，對結構損傷性能的控制有重要意義。

3.2 存在的問題與今后的發(fā)展方向

① 對于設計地震作用的確定方式，以能量譜的形式雖然得到多數人的支持，有待進一步深入研究。

② 結構地震反應的能量分析還處于研究階段，能量反應分析比較準確的、普遍采用的是動力時程分析法。

③ 對結構總耗能在阻尼耗能與非彈性變形耗能之間的分配、非彈性變形能結構內部層間及構件的耗能分布規(guī)律的研究結果并不十分明確。還沒有建立起一個比較符合實際并得到普遍認可的結構破壞狀態(tài)與能量控制參數的關系表達式。

④ 目前對能量法的研究還局限在單自由度體系的分析當中，加強對多自由度體系地震能量反應與單自由度體系反應的關系方面進行研究，對能量方法得以應用到復雜結構體系上盡早實現與工程實際抗震設計的結合有很重要的意義。

4 基于損傷的結構抗震設計

近年來地震害經驗和各國學者的研究表明：由于地震是一種往復運動，并且地震動持時一般較短，因此地震作用下的損傷不僅與最大變形有關，還與結構的低周疲勞效應所造成的累積損傷有關。用能夠反映結構的變形和累積損傷效應的損傷性能參數可以更好地描述結構的非彈性性能，通過選取適當的地震損傷模型、按照結構在未來地震作用下的損傷允許值來進行抗震設計更為經濟合理，由此產生了基于損傷性能的抗震設計思想。采用基于地震損傷理論的損傷指數能夠定量的描述結構在地震作用下的倒塌破壞情況，而且損傷指數物理意義明確。

5 基于位移的結構抗震設計

基于位移的抗震設計是指：在一定水準的地震作用下，以結構的位移響應為目標設計結構和構件，使結構達到該水準地震作用下的性能要求。其原理為按位移要求進行定量分析，使結構的塑性變形能力滿足在預期的地震作用下的變形要求，即控制結構在大震作用下的層間位移角限值和總體位移限值。核心思想是直接通過控制結構的位移和層間位移水準來進行結構抗震設計。它是一種合理的、定量的并且相對簡單的方法。根據設計思路的不同，基于位移的結構抗震設計大致可分為三種方法：按延性系數設計方法、能力譜法、直接基于位移的設計方法。他們之間的差別在于：直接位移法和控制延性方法是依據位移目標進行結構設計的方法，而能力譜法則更多的是一種位移驗算方法。

6 結語

從當前主要使用和研究的幾種抗震設計方法出發(fā)，對基于承載力、基于能量、基于損傷、基于位移結構抗震設計方法的內容、特點、研究現狀和發(fā)展趨勢進行了概述。目前基于承載力的抗震設計方法較之其他方法較為成熟，有了完整的設計體系，與傳統(tǒng)結構設計做法近似、易于操作，但該方法還存在一些問題需要進一步研究調整。其他幾種抗震設計方法各具特色，概念原理清晰，分析及計算過程考慮到了基于承載力的設計方法的一些不足，但分析方法復雜、對普通設計者缺乏可操作性，距離實際工程抗震設計應用尚需大量研究工作。

[1]胡聿賢.地震工程學[M].北京:地震出版社,2006

[2]葉列平,經杰.論結構抗震設計方法[C].第六屆全國地震工程會議論文集,2002.