結(jié)構(gòu)抗震性能化設(shè)計方法淺議

吳濤

[摘要] 復雜結(jié)構(gòu)、不規(guī)則結(jié)構(gòu)及超限高層結(jié)構(gòu)在工程設(shè)計中經(jīng)常需要進行抗震性能化設(shè)計和驗算。本文從抗震性能化分析的概念入手，介紹了結(jié)構(gòu)性能化的基本思路和方法，提出了在實際工程中進行結(jié)構(gòu)性能化設(shè)計的方法。

[關(guān)鍵詞]性能設(shè)計 中震（大震）彈性 中震（大震）不屈服彈塑性分析

中圖分類號：S611文獻標識碼： A

1. 前言

抗震性能化設(shè)計是我國建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計一個新的重要發(fā)展，它的特點是使抗震設(shè)計從宏觀定性的目標向具體量化的多重目標過渡，設(shè)計者可根據(jù)建筑物的重要性采用不同的性能目標和抗震措施。由于現(xiàn)行抗震規(guī)范和高層對這部分都有專門的規(guī)定，結(jié)構(gòu)抗震性能化設(shè)計已經(jīng)成為結(jié)構(gòu)設(shè)計中不可或缺的一部分內(nèi)容。

2. 結(jié)構(gòu)性能化設(shè)計的思路和方法

結(jié)構(gòu)性能化設(shè)計的重點是深入的計算分析和工程判斷，找出結(jié)構(gòu)有可能出現(xiàn)的薄弱部位，提出有針對性的抗震加強措施，分析論證結(jié)構(gòu)可達到預期的抗震性能目標。為此一般需要進行深入的彈性和彈塑性計算分析(靜力分析及時程分析)并判斷計算結(jié)果的合理性；找出結(jié)構(gòu)有可能出現(xiàn)的薄弱部位以及需要加強的關(guān)鍵部位，提出有針對性的抗震加強措施；論證結(jié)構(gòu)能滿足所選用的抗震性能目標的要求。目前結(jié)構(gòu)性能化設(shè)計方法主要有結(jié)構(gòu)整體彈塑性分析法和構(gòu)件彈性分析法，這兩種方法均可以采用結(jié)構(gòu)設(shè)計軟件來實現(xiàn)。

2.1 構(gòu)件彈性分析法

在不規(guī)則結(jié)構(gòu)、復雜結(jié)構(gòu)中，關(guān)鍵構(gòu)件的抗震性能直接影響到整體結(jié)構(gòu)的抗震性能，所以對關(guān)鍵構(gòu)件性能的控制有著重要的作用。根據(jù)2010年住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部頒布的《超限高層建筑工程抗震設(shè)防專項審查技術(shù)要點》的通知要求，構(gòu)件抗震性能設(shè)計的彈性分析法主要有中震（大震）彈性分析法和中震（大震）不屈服分析法，這兩種方法均可以采用軟件來準確計算：

（1）中震（大震）彈性分析法：是指在中震（大震）作用下，結(jié)構(gòu)基本完好，即結(jié)構(gòu)構(gòu)件基本保持彈性狀態(tài)，各種承載力設(shè)計值基本滿足規(guī)范對抗震承載力的要求。設(shè)計時地震最大影響系數(shù)取為中震（大震）；內(nèi)力調(diào)整系數(shù)取1.0（強柱弱梁，強剪弱彎等）；材料強度取設(shè)計值；其余分項系數(shù)和組合系數(shù)保留；抗震調(diào)整系數(shù)γRE取同小震。

（2）中震（大震）不屈服分析法：是指在中震（大震）作用下，結(jié)構(gòu)輕微破壞，即結(jié)構(gòu)可能出現(xiàn)輕微的塑性變形，但不達到屈服狀態(tài)，按材料強度標準值計算的承載力大于地震作用標準組合的效應(yīng)。設(shè)計時地震最大影響系數(shù)取為中震（大震）；內(nèi)力調(diào)整系數(shù)取1.0（強柱弱梁，強剪弱彎等）；材料強度采用標準值；荷載分項系數(shù)均取為1.0，保留組合系數(shù)；抗震調(diào)整系數(shù)γRE取為1.0；

從上述可知，中震（大震）彈性和中震（大震）不屈服是兩個概念。中震（大震）彈性是指不考慮內(nèi)力調(diào)整的抗震驗算；中震（大震）不屈服是指內(nèi)力、材料強度均按標準值計算，并且不考慮抗震承載力調(diào)整系數(shù)。中震彈性要比中震不屈服的要求嚴的多，對于抗震等級在一級以上的構(gòu)件，通常按小震彈性計算得到的配筋要比中震不屈服的大，故應(yīng)加強對中震（大震）不屈服計算結(jié)構(gòu)的判別，以不小于小震彈性為原則。中震不屈服設(shè)計已經(jīng)去掉所有安全度，屬于承載力極限狀態(tài)設(shè)計；中震彈性設(shè)計取消內(nèi)力調(diào)整的經(jīng)驗系數(shù)，保留荷載分項系數(shù)，也就是保留了結(jié)構(gòu)的安全度和可靠度，屬正常設(shè)計，相應(yīng)的配筋也大得多。

上述兩種分析方法都是一種近似的計算方法，強調(diào)以概念設(shè)計為主，不必追求過高的計算精度。在目前的規(guī)范中沒有相關(guān)的規(guī)定，只有在具體提出結(jié)構(gòu)性能化設(shè)計要求時，才進行針對性的分析和驗算。在目前廣泛使用的SATWE（2012版）中，進行上述構(gòu)件彈性分析時，只需根據(jù)需要選擇中震（大震）彈性或中震（大震）不屈服選項，同時修改相應(yīng)的地震影響系數(shù)，其余系數(shù)SATWE會根據(jù)選擇自動調(diào)整。

2.2 結(jié)構(gòu)整體彈塑性分析法

結(jié)構(gòu)整體彈塑性分析主要考慮大震的情況，驗算結(jié)構(gòu)大震下的整體性能，如結(jié)構(gòu)最大彈塑性位移和層間位移角、結(jié)構(gòu)的性能點、抗倒塌驗算、樓層屈服系數(shù)、薄弱層驗算和確定等，以確定結(jié)構(gòu)在大震下的破壞程度。彈塑性分析也可驗算中震的情況。彈塑性分析法主要有靜力彈塑性分析法（Pushover）和動力彈塑性分析法。靜力彈塑性分析法是對結(jié)構(gòu)在罕遇地震作用下進行彈塑性變形分析的一種簡化方法，本質(zhì)上它是一種靜力分析方法。具體的說，就是在結(jié)構(gòu)分析模型上施加按某種規(guī)定的分布方式模擬地震水平作用慣性力，單調(diào)加載并逐級加大，一旦構(gòu)件開裂或屈服即修改其剛度，直到結(jié)構(gòu)達到預定狀態(tài)（成為機構(gòu)、位移超限或達到目標位移），從而判斷結(jié)構(gòu)分析模型是否滿足相應(yīng)的抗震能力要求。靜力彈塑性分析法在一定適用范圍內(nèi)能較為準確地反映結(jié)構(gòu)非線性地震反應(yīng)特征，對層數(shù)不多或自振周期不太長的結(jié)構(gòu)，不失位一種可行的彈塑性簡化分析方法，其分析結(jié)構(gòu)的可信度主要取決于加載方式，如倒三角形分布、矩形分布、第一振型分布等；動力彈塑性分析法能計算地震反應(yīng)全過程中各時刻結(jié)構(gòu)的內(nèi)力和變形狀態(tài)，給出結(jié)構(gòu)的開裂和屈服順序，發(fā)現(xiàn)應(yīng)力和塑性變形集中的部位，從而判別結(jié)構(gòu)的屈服機制、薄弱環(huán)節(jié)及可能破壞類型，被認為是結(jié)構(gòu)彈塑性分析的最可靠方法，但是動力彈塑性分析法計算耗時，結(jié)果處理復雜，許多問題在理論上還有待改進（如輸入地震動及構(gòu)件恢復力模型的不確定性）等，其分析結(jié)構(gòu)的可信度主要取決于地震波的合理性和結(jié)構(gòu)恢復力模型的合理性。結(jié)構(gòu)整體彈塑性分析在目前常用的通用有限元軟件（如ABAQUS、MSC.MARC和SAP2000等）均能實現(xiàn)。

3．結(jié)語與建議

（1）結(jié)構(gòu)中震設(shè)計方法中，結(jié)構(gòu)構(gòu)件仍近似采用小震時的彈性剛度，沒有考慮結(jié)構(gòu)構(gòu)件在中震作用下的剛度退化，因此中震彈性性能化分析只是一種近似的計算方法，強調(diào)以概念設(shè)計為主，不必追求過高的計算精度。

（2）在中震作用下，結(jié)構(gòu)剛度已退化，因此結(jié)構(gòu)在中震時剛度退化不是很大時，可以采用中震彈性分析，如果中震時結(jié)構(gòu)剛度退化較為嚴重造成結(jié)構(gòu)內(nèi)力重分布則應(yīng)采用彈塑性分析。

（3）在結(jié)構(gòu)的中震設(shè)計方法中，有許多問題尚待研究，如剛度的計算和取值、結(jié)構(gòu)阻尼比的取值等，我們期待中震設(shè)計理論的進一步完善，并能應(yīng)用于工程實踐中。

參考文獻

建筑抗震設(shè)計規(guī)范（GB5011-2010）

李國勝簡明高層鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計手冊

多層及高層建筑結(jié)構(gòu)彈塑性動力、彈塑性靜力分析軟件用戶手冊

SATWE用戶手冊及技術(shù)條件