淺談鋼結(jié)構(gòu)方面基于性能的抗震設(shè)計研究

陳 偉

（上?，F(xiàn)代建筑景觀規(guī)劃設(shè)計研究院有限公司，上海 200021）

1 基于性能的抗震設(shè)計方法

1.1 抗震性能目標設(shè)定和選用

結(jié)構(gòu)的超限程度會直接影響結(jié)構(gòu)的延性變形能力?？拐鹦阅苣繕耸侵冈陬A(yù)期的設(shè)定地震中對建筑結(jié)構(gòu)造成的預(yù)期性影響。所以應(yīng)該運用結(jié)構(gòu)的不規(guī)則程度對復(fù)雜超限高層建筑的抗震設(shè)計從提高延性變形能力、增強承載力兩方面考慮合適的手段保證安全。建筑業(yè)主要向設(shè)計者提供此建筑物的抗震強度、對于業(yè)主的重要程度以及震后的修復(fù)難度等多方面選擇抗震性能目標，而設(shè)計要向業(yè)主給予經(jīng)濟和技術(shù)上的分析。這些目標的選定要在方案設(shè)計和結(jié)構(gòu)安全兩方面之間進行。

在此本文結(jié)合我國的抗震規(guī)范針對混凝土基于性能的抗震設(shè)計方法，對結(jié)構(gòu)構(gòu)件提出五種性能水準：

1.1.1 小震彈性

在小震作用下，建筑結(jié)構(gòu)的抗震承載力要滿足規(guī)范要求，結(jié)構(gòu)的層間位移也要在規(guī)范位移范圍之內(nèi)。在設(shè)計構(gòu)件時也要讓構(gòu)件滿足抗震設(shè)計規(guī)范。

1.1.2 中震彈性

在中震作用下不考慮中震組合內(nèi)力調(diào)整系數(shù)時構(gòu)件要滿足抗震設(shè)計規(guī)范。

1.1.3 中震不屈服

在中震作用下不考慮中震組合內(nèi)力調(diào)整系數(shù)和結(jié)構(gòu)的抗震承載系數(shù)，構(gòu)件所用材料的抗震系數(shù)和強度都要滿足標準要求，結(jié)構(gòu)的阻尼比也可以進行適當?shù)脑黾?。在中震作用下結(jié)構(gòu)的一些薄弱部分和重要部分要滿足抗震設(shè)計規(guī)范也可以達到屈服狀態(tài)，但是構(gòu)件不能發(fā)生破壞不能被剪切；構(gòu)造還要滿足抗震延性的要求。

1.1.4 大震不屈服

在大震作用下結(jié)構(gòu)的一些薄弱部分和重要部分要滿足抗震設(shè)計規(guī)范也可以達到屈服狀態(tài)，但是構(gòu)件不能發(fā)生破壞不能被剪切；構(gòu)造還要滿足抗震延性的要求。

1.1.5 大震可屈服

對于豎直放置的構(gòu)件不能發(fā)生脆性破壞；局部構(gòu)造在大震下可以達到屈服階段，構(gòu)件發(fā)生的變形值要在要求范圍之內(nèi)；構(gòu)都要滿足高抗震延性規(guī)范的要求。

1.2 不同水準地震對性能的影響

不同的地震對構(gòu)件的性能造成不同的影響，在此我們要在不同水準地震下的基于性能的抗震設(shè)計對結(jié)構(gòu)的性能進行計算，以保證能夠?qū)崿F(xiàn)其性能目標。在此就要相應(yīng)的計算上文提到的小震彈性、中震彈性、中震不屈服、大震不屈服、大震可屈服作用下結(jié)構(gòu)的性能。

1.3 小震對構(gòu)件作用下的性能分析

在小震作用前提下運用彈性反應(yīng)譜，計算出對構(gòu)件最不利影響下的載荷組合，計算時要想到構(gòu)件的調(diào)整系數(shù)、構(gòu)件設(shè)計時的載荷分布系數(shù)、構(gòu)建的內(nèi)力增大系數(shù)，其表達式為：

S≦R或S≦R/r（只有豎直方向的小地震作用時，r取1.0）

1.4 中震對構(gòu)件作用下的性能分析

在中震作用前提下，運用平常的彈性分析軟件對擬彈塑性結(jié)構(gòu)的彈性進行計算，并對其進行檢驗，其構(gòu)件分別按照彈性或不屈服進行分析。

（1）在中震作用下構(gòu)件的薄弱部分和一些重要部分，計算時不用考慮地震組合內(nèi)力調(diào)整系數(shù)，但構(gòu)件材料的抗震設(shè)計承載力的系數(shù)和材料的分布系數(shù)要考慮在內(nèi)，載荷組合的分項系數(shù)是rRE。

在這種情況下的分析設(shè)計表達式是：

S≦R/r

（2）對于不考慮地震組合內(nèi)力系數(shù)，對性能目標設(shè)定成中震不屈服的構(gòu)件，它的載荷分項系數(shù)均取1.0，不考慮材料的抗震承載力和分項系數(shù)r。

在這種情況下分析設(shè)計表達式為：

S≦R

R是在構(gòu)件材料標準值情況下計算出來的承載力標準值。

1.5 大震對構(gòu)件作用時性能分析

大震作用下構(gòu)件進入彈塑性階段，某些性能目標位大震不屈服的重要部位或薄弱部位應(yīng)采用非線性計算方法。

靜力彈塑性設(shè)計表達式：

S≦R

R是在構(gòu)件材料標準值情況下計算出來的承載力標準值。

大震條件下動力彈塑性設(shè)計表達式：

對抗剪承載力進行檢測：

S=r（D+0.5L+E）=1.2（D+0.5L+E）≦ R

對抗彎承載力進行檢測：

S=r（D+0.5L+E）=1.0（D+0.5L+E）≦ R

rv為強剪弱彎調(diào)差系數(shù)。

對在大震條件下可屈服的構(gòu)件變形時進行控制：

▽=（D+0.5L+E）≦δ

在此指出：在ASCE-41和FEMA356兩種構(gòu)件的變形控制設(shè)計中，考慮到強度大地震時構(gòu)件發(fā)生剪切小地震時構(gòu)件發(fā)生彎曲的抗震概念，對構(gòu)件發(fā)生剪切下的變形控制已經(jīng)比發(fā)生彎曲變形的控制更加的嚴格，在此我們不再使用強剪弱彎調(diào)整系數(shù)rv。ASCE-41構(gòu)件變形控制指標再經(jīng)過中國規(guī)范換算。

2 結(jié)構(gòu)分析方法與評估

2.1 運用彈性反應(yīng)譜進行分析

采用彈性反應(yīng)譜分析方法對在小震和中震作用下的結(jié)構(gòu)性能進行分析，按照我國現(xiàn)行的《鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》/《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》/《抗規(guī)》對結(jié)構(gòu)性能進行分析，現(xiàn)行的結(jié)構(gòu)抗震調(diào)整規(guī)范系數(shù)也降低一個級別使用。在大震條件作用下時，我們可以使用常用的擬彈塑性分析方法對結(jié)構(gòu)的性能進行分析，也可采用預(yù)期的結(jié)構(gòu)開裂剛度退化的情形對原有的結(jié)構(gòu)剛度進行折減。

2.2 動力彈塑性時程分析

可以用動力彈塑性時程分析方法對結(jié)構(gòu)在大震階段的層間發(fā)生的位移值進行計算，在小震和中震階段的層間變形位移也可以采用動力彈塑性時程分析的方法，另外也可以采用靜力彈塑性分析方法，在中震和大震階段可以采用動力彈塑性時程分析法計算層間發(fā)生的位移值。

3 地震波的調(diào)整和選取

以上在不同水準地震作用下我們采用的動力彈塑性時程分析方法，畫出地震的加速度時程曲線，應(yīng)該選擇一組不少于兩條場地人工波和不能少于五條具體實際檢測到的地震波，我們選取采用的地震波應(yīng)該在震中距離、地震級別、活躍周期、地震來源跟我們研究的建筑物所在的場所環(huán)境很相似，而且要考慮來自兩個方向地震波的作用。

我們要從所研究建筑物所在場所的安全評估報告中找到實測的時程曲線和人工模擬曲線中挑選出我們需要的時程曲線,最后將規(guī)范振型反應(yīng)譜產(chǎn)生的小震下基底剪力與時程分析得到的小震下基底剪力作對比，小震下基底剪力的時程分析計算值應(yīng)該要比反應(yīng)譜計算結(jié)果大65%，整個基底剪力的時程分析值要比反應(yīng)譜給出結(jié)果大80%。

在此我們運用下面的方法對我們所需地震波進行調(diào)整：把研究建筑所在場地作為是目標譜，在周期不大于3.0s時，它的0.05阻尼比的反應(yīng)譜比目標譜周期點不大于15%，在周期大于3.0s時不大于20%，總體的平均差異不大于10%。然后把我們記錄的所愿地震波加速度的最大值整理到所選目標及速度的最大值，把時程分析的設(shè)計加速度計算出來。

4 抗震評估

當全部結(jié)構(gòu)的構(gòu)件都能滿足構(gòu)件性能目標需求，但是既有建筑卻不能滿足層間位移性能目標時，結(jié)構(gòu)可以不用加固抗震。

如果原建筑的建筑結(jié)構(gòu)能滿足層間位移性能的目標時，每層都有超過90%的梁、抗震墻抗彎性能夠達到目標要求，樓蓋和基礎(chǔ)都滿足性能規(guī)范，構(gòu)件可以不用進行必要的加固。

在除去上述兩種條件的情況下都要進行對結(jié)構(gòu)進行抗震加固，而且加固后構(gòu)件的性能要滿足全部構(gòu)件的性能目標和層間位移目標。

5 結(jié)語

本篇文章通過引用世界上先進的基于性能的抗震設(shè)計思想，結(jié)合我國現(xiàn)在使用的抗震設(shè)計規(guī)范體系的特點，通過對國外廣泛應(yīng)用的先進抗震設(shè)計規(guī)范實例的調(diào)查研究，設(shè)計研究出適合我們國家工程實踐的既有混凝土建筑結(jié)構(gòu)基于性能的抗震設(shè)計方法，向更經(jīng)濟、更安全、更舒適的抗震設(shè)計理想邁出了堅實的一步。

[1] 黃超，季靜，韓小雷，等.基于性能的既有鋼筋混凝土建筑結(jié)構(gòu)抗震評估與加固技術(shù)研究[J].地震工程與工程震動，2007,27（5）.