結(jié)構(gòu)抗震性能退化的設(shè)計方法與對策

魏春梅

中煤科工集團(tuán)北京華宇公司平頂山分公司（467000）

結(jié)構(gòu)抗震性能退化的設(shè)計方法與對策

魏春梅

中煤科工集團(tuán)北京華宇公司平頂山分公司（467000）

結(jié)構(gòu)的抗震性能必將退化，為保證結(jié)構(gòu)安全，需在結(jié)構(gòu)設(shè)計之初考慮結(jié)構(gòu)抗震性能退化。

結(jié)構(gòu)；抗震性能；性能退化；齡期；可靠度

0 引言

近年來，我國較大震級的地震災(zāi)害發(fā)生的頻率明顯增加，造成的巨大人員傷亡和經(jīng)濟(jì)損失。城市人口密度較大，一旦發(fā)生地震，后果不堪設(shè)想。建筑物的抗震性能必將隨著時間推移而不斷降低。因此對結(jié)構(gòu)抗震性能有必要進(jìn)行深入研究。

1 已有的結(jié)構(gòu)抗震性能退化的設(shè)計方法

由于地震易造成毀滅性的遭難，而地震預(yù)測研究相對滯后，有必要對可能發(fā)生地震區(qū)域的結(jié)構(gòu)進(jìn)行抗震設(shè)計。目前，普遍得到公認(rèn)的設(shè)計方法是:當(dāng)結(jié)構(gòu)遭遇強(qiáng)烈地震作用時，允許次要結(jié)構(gòu)或一般結(jié)構(gòu)中的結(jié)構(gòu)構(gòu)件進(jìn)入非彈性狀態(tài)，利用其變形和耗能能力耗散地震能量，使得主體結(jié)構(gòu)整體處于彈性狀態(tài)而不發(fā)生倒塌，以保證建筑內(nèi)部人員生命財產(chǎn)安全。隨著研究人員對地震記錄研究，結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計方法經(jīng)歷了基于力、基于位移、基于能量、基于性能和基于損傷的不同階段。

基于力的設(shè)計方法假設(shè)結(jié)構(gòu)是剛體，在地震作用下不發(fā)生相對位移，即整個結(jié)構(gòu)變形均相等，同時，結(jié)構(gòu)處于彈性狀態(tài)[1]。結(jié)構(gòu)受到的力等于結(jié)構(gòu)自重與地震加速度的乘積?；诹Φ脑O(shè)計方法優(yōu)點(diǎn)在于簡單實(shí)用、可操作性強(qiáng)，缺點(diǎn)在于不能考慮結(jié)構(gòu)非彈性變形。

基于位移的設(shè)計方法是目前全球普遍采用的設(shè)計方法，其核心思想以結(jié)構(gòu)在地震作用下的位移作為控制目標(biāo)，通過控制結(jié)構(gòu)變形來實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)抗倒塌設(shè)計的目的[2]?；谖灰频脑O(shè)計方法比基于力的設(shè)計方法的進(jìn)步之處在于允許結(jié)構(gòu)發(fā)生非彈性變形，達(dá)到既滿足抗震要求，又滿足經(jīng)濟(jì)目標(biāo)。目前基于位移的設(shè)計方法通常采用結(jié)構(gòu)頂點(diǎn)位移、延性或結(jié)構(gòu)最大層間位移角作用評價或控制結(jié)構(gòu)性能的指標(biāo)。結(jié)構(gòu)頂點(diǎn)位移使用較為簡便，但與延性指標(biāo)相同均不能評價結(jié)構(gòu)薄弱層。已有研究成果顯示,即使結(jié)構(gòu)剛度沿建筑高度不變或變化均勻，也可能發(fā)生變形集中層。以結(jié)構(gòu)最大層間位移角作為結(jié)構(gòu)評價指標(biāo)，可以準(zhǔn)確找到結(jié)構(gòu)變形最大位置。通過結(jié)構(gòu)最大層間位移角來控制結(jié)構(gòu)變形，可避免由層高變化帶來的評價結(jié)果的差異，因此，以最大層間位移角作為結(jié)構(gòu)抗震性能評價指標(biāo)是適宜的。

基于能量的設(shè)計方法從能量的角度入手，認(rèn)為地震作用實(shí)質(zhì)上是能量輸入，結(jié)構(gòu)通過自身變形耗散地震能量。若結(jié)構(gòu)耗能能力大于地震輸入能量，則結(jié)構(gòu)安全；若結(jié)構(gòu)耗能能力小于地震輸入能量,則結(jié)構(gòu)將被破壞[3]。

目前，基于性能的設(shè)計方法實(shí)質(zhì)上仍然是基于位移的設(shè)計方法，其出發(fā)點(diǎn)在于對不同抗震需求的建筑采用不同的控制指標(biāo)[4]。針對不同的結(jié)構(gòu)，通常將抗震性能劃分為不同結(jié)構(gòu)性能水準(zhǔn)、抗震設(shè)防水準(zhǔn)以及相應(yīng)的性能目標(biāo)。例如，我國抗震規(guī)范中“小震不壞、中震可修、大震不倒”的設(shè)計思想即可認(rèn)為是基于性能的設(shè)計方法?；谛阅艿脑O(shè)計方法可保證結(jié)構(gòu)在小震作用下不發(fā)生非彈性變形；在中震作用下發(fā)生輕微破壞，不需要維修或少許維修即可達(dá)到繼續(xù)使用的目標(biāo)；而在大震作用下不發(fā)生倒塌，從而保護(hù)人員生命安全。

基于損傷的設(shè)計方法認(rèn)為，結(jié)構(gòu)在地震作用下處于非彈性狀態(tài)時將發(fā)生損傷破壞，這種損傷破壞會不斷累積，且是不可逆的[5]。目前，基于損傷的設(shè)計方法尚不成熟，評價指標(biāo)較多，得到公認(rèn)的損傷理論是:結(jié)構(gòu)在地震作用破壞是同時由結(jié)構(gòu)的最大非線性變形與結(jié)構(gòu)累積損傷共同造成的，因此在評價結(jié)構(gòu)抗震性能時需考慮結(jié)構(gòu)最大變形與結(jié)構(gòu)累積破壞。

2 結(jié)構(gòu)抗震性能退化

上述結(jié)構(gòu)設(shè)計方法均未考慮到結(jié)構(gòu)抗震性能隨時間的退化[6]。結(jié)構(gòu)在投入使用后，由于所處的環(huán)境長期作用，如鋼材銹蝕、遭遇地震，這些情況都將對結(jié)構(gòu)的抗震性能產(chǎn)生不利影響，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)可靠度不斷降低,隨著結(jié)構(gòu)服役年限的增加，這種退化現(xiàn)象更加明顯。因此結(jié)構(gòu)的抗震性能并不是不變的，而是具有時變性。傳統(tǒng)的不考慮結(jié)構(gòu)抗震性能時變性的評估方法已不適應(yīng)結(jié)構(gòu)服役周期設(shè)計的要求。隨著建筑工程領(lǐng)域全壽命設(shè)計理念的不斷發(fā)展，以概率分析為基礎(chǔ)的建筑結(jié)構(gòu)全壽命的時變可靠度必將成為今后評估結(jié)構(gòu)抗震性能的重要理論方法。結(jié)構(gòu)抗震性能總是朝不斷惡化的方向發(fā)展,且不可逆。對既有結(jié)構(gòu)如何準(zhǔn)確評價其抗震性能，如何對其剩余壽命作出預(yù)測，如何維護(hù)，對新建結(jié)構(gòu)如何保證在其使用年限內(nèi)安全，已成為一個迫切需要解決的問題。

3 考慮結(jié)構(gòu)抗震性能退化的設(shè)計方法

已有的設(shè)計方法均假定結(jié)構(gòu)在使用年限內(nèi)可靠度不發(fā)生變化，不考慮結(jié)構(gòu)抗震性能隨服役年限的退化。因此在結(jié)構(gòu)投入使用時，結(jié)構(gòu)各項(xiàng)性能指標(biāo)均能滿足抗震需求，但隨著服役年限的增加，建筑物的安全可靠度不斷衰減且無法預(yù)測。

可見，對新建結(jié)構(gòu)有必要對結(jié)構(gòu)設(shè)計方法進(jìn)行調(diào)整。在結(jié)構(gòu)設(shè)計之初，應(yīng)充分考慮環(huán)境對建筑物抗震性能的影響，以保證結(jié)構(gòu)在使用年限內(nèi)均能滿足使用功能和抗震需求。同時，需要對影響耐久性的設(shè)計因素適當(dāng)調(diào)整，如混凝土構(gòu)件的鋼筋保護(hù)層厚度與鋼材防銹漆對鋼材的起銹時間的控制作用，還需考慮經(jīng)濟(jì)效益，達(dá)到安全性與經(jīng)濟(jì)性。設(shè)計人員在方案設(shè)計時應(yīng)考慮到，即使結(jié)構(gòu)抗震性能隨時間推移而劣化，但劣化后的結(jié)構(gòu)性能仍能滿足抗震需求。加強(qiáng)結(jié)構(gòu)監(jiān)護(hù)意識，對不滿足抗震需求的結(jié)構(gòu)及時加固。

4 結(jié)論

1）綜述了結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計方法的發(fā)展過程，經(jīng)歷了基于力的設(shè)計方法到基于損傷的設(shè)計方法。

2）已有的結(jié)構(gòu)設(shè)計方法均未考慮到結(jié)構(gòu)抗震性能隨時間的退化，不能對既有結(jié)構(gòu)的抗震性能進(jìn)行評估。

3）對現(xiàn)有結(jié)構(gòu)設(shè)計方法提出改進(jìn)意見,對影響結(jié)構(gòu)耐久性的設(shè)計因素重點(diǎn)考慮，達(dá)到安全性與經(jīng)濟(jì)性的平衡，保證即使結(jié)構(gòu)抗震性能退化后仍能滿足抗震需求，對既有結(jié)構(gòu)加強(qiáng)監(jiān)護(hù)，及時加固。

[1]Newmark N.M.,Hall W.J..Earthquake Spectra and Design [M].Earthquake Engineering Research Institute,Berkeley, CA,1982.

[2]Moehle J P.Displacement based deign of RC structure[C]. Eerva A.Proceedings of the 10th World Conference on Earthquake Engineering(WCEE)，Mexico,1992.

[3]程光煜.基于能量抗震設(shè)計方法及其在鋼支撐框架結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用[D].清華大學(xué),2007.

[4]Whitman R V，Reed J W，Hong S T.Earthquake damage probability matrices[A].Proceedings of the Fifth World Conference on Earthquake Engineering[C]，Rome，Italy，1973:2531～2540.

[5]Park Y J，Ang A H.Mechanistic seismic damage model for reinforced concrete[J].Journal of Structural Engineering, 1985,111(4):722～739.

[6]鄭怡,劉明.土梓涵等.軸壓情況下考慮抗力退化的既有配筋砌塊砌體時變可靠性分析[J].中國水運(yùn),2008,8(2):54～56.