基于性能的鋼結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)方法研究

申 晉 益

(西南石油大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院，四川 成都 610500)

基于性能的鋼結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)方法研究

申 晉 益

(西南石油大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院，四川 成都 610500)

隨著人們對大型復(fù)雜工程抗震設(shè)計(jì)要求的不斷提高，基于性能的抗震設(shè)計(jì)方法將成為未來工程抗震領(lǐng)域的新趨勢。該方法綜合考慮地震風(fēng)險(xiǎn)水平、項(xiàng)目投資能力、建筑的功能和重要性等因素，采取不同的抗震結(jié)構(gòu)體系和方法來分析、評估結(jié)構(gòu)的抗震能力。Pushover分析法、增量動力分析法、蟻群優(yōu)化法等算法的應(yīng)用，使基于性能的鋼結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)更加精確合理。

鋼結(jié)構(gòu)，性能設(shè)計(jì)，抗震設(shè)計(jì)方法

0 引言

歷史上每一次強(qiáng)烈地震的發(fā)生，都會給國家和公民的生命財(cái)產(chǎn)安全造成威脅。如今，隨著世界各地城市化規(guī)模的不斷擴(kuò)大，那些發(fā)生在人口稠密地區(qū)的地震將造成更可怕的人員傷亡、巨額的經(jīng)濟(jì)損失和大量的房屋坍塌。最近發(fā)生在2015年4月25日的尼泊爾8.1級強(qiáng)震，已造成該國數(shù)千人死亡，僅首都加德滿都就有90%的建筑被毀。有經(jīng)濟(jì)學(xué)家指出，這次地震使尼泊爾國內(nèi)大量基礎(chǔ)設(shè)施發(fā)生結(jié)構(gòu)性的損壞，使國家經(jīng)濟(jì)至少倒退50年。長期以來，人類從未停止過對地震的研究，但地震存在監(jiān)測和預(yù)報(bào)上的困難，目前仍然沒有有效的地震預(yù)警方法。而大量的數(shù)據(jù)證明，地震造成的人員傷亡，絕大數(shù)由房屋坍塌所致。因此，人們只能最大限度地做好建筑物的抗震設(shè)防，以減少地震對房屋的結(jié)構(gòu)性破壞。在實(shí)際工程中，設(shè)計(jì)人員通過選擇更優(yōu)的建筑材料和研究更好抗震設(shè)計(jì)方法，不斷地提高建筑的抗震性能。

1 鋼結(jié)構(gòu)的抗震優(yōu)勢

目前工程建設(shè)中廣泛采用的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)和砌體結(jié)構(gòu)都存在結(jié)構(gòu)自重大，地震耗能效果較差的缺點(diǎn)。從發(fā)生在2008年5月12日的四川汶川大地震的震后災(zāi)害中可以看出，垮塌的建筑類型以砌體結(jié)構(gòu)為主。由于混凝土和砌體等脆性材料本身延性小，構(gòu)件間的連接屬于剛性連接，結(jié)構(gòu)在地震力作用下變形很小，不能充分吸收地震能量。大量砌體房屋結(jié)構(gòu)自重大，各構(gòu)件之間的連接薄弱，缺少圈梁、構(gòu)造柱等抗震構(gòu)造措施。這些建筑在地震中突然垮塌時，極易造成嚴(yán)重的人員傷亡。

鋼結(jié)構(gòu)和砌體結(jié)構(gòu)相比，鋼結(jié)構(gòu)在抗震性能上具有明顯優(yōu)勢。由于鋼構(gòu)件的強(qiáng)度很高，在承受相同的荷載條件下，鋼結(jié)構(gòu)自重輕的優(yōu)勢越發(fā)顯著。輕質(zhì)高強(qiáng)的特點(diǎn)使得鋼結(jié)構(gòu)在地震發(fā)生時不會因?yàn)樽灾貑栴}導(dǎo)致結(jié)構(gòu)發(fā)生斷裂。鋼材也是接近均質(zhì)和各向同性的材料，符合材料力學(xué)的基本假定，計(jì)算結(jié)果與實(shí)際受力較匹配。因此，鋼材可以在一定的荷載范圍內(nèi)保持良好的彈塑性變形，不會因?yàn)榕既怀d而發(fā)生脆性破壞。另外，良好的韌性也使鋼結(jié)構(gòu)在動力荷載作用下表現(xiàn)出其他結(jié)構(gòu)不可比擬的適應(yīng)性。鋼結(jié)構(gòu)通過剛彈性連接構(gòu)成整體，可以抵抗大幅度的變形，充分消耗地震能量，屬于良好的延性結(jié)構(gòu)。由于具有以上優(yōu)點(diǎn)，鋼結(jié)構(gòu)十分適合在地震高發(fā)地區(qū)修建。

面對多樣化的建筑結(jié)構(gòu)類型，目前我國的抗震設(shè)計(jì)規(guī)范均采取統(tǒng)一的分析方法，未對不同結(jié)構(gòu)類型采取有針對性的抗震計(jì)算。隨著國內(nèi)鋼鐵產(chǎn)量的不斷擴(kuò)大，鋼結(jié)構(gòu)在我國的發(fā)展規(guī)模日益迅猛，越來越多的鋼結(jié)構(gòu)建筑應(yīng)運(yùn)而生。從當(dāng)前鋼結(jié)構(gòu)建筑發(fā)展的要求來看，鋼結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)理論和方法的進(jìn)一步深化與完善已勢在必行。

2 基于性能的抗震設(shè)計(jì)思想

基于性能的結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)最早由美國加州大學(xué)伯克利分校J. P. Moehle 提出[1]。其核心思想是根據(jù)建筑物在使用期間能滿足各項(xiàng)預(yù)定功能的要求，確定其抗震設(shè)計(jì)目標(biāo)和方法。基于性能的抗震設(shè)計(jì)的提出，是對傳統(tǒng)抗震設(shè)計(jì)設(shè)防目標(biāo)的進(jìn)一步精細(xì)化，為工程抗震計(jì)算領(lǐng)域的發(fā)展帶來了新的發(fā)展契機(jī)。相比于傳統(tǒng)的抗震設(shè)計(jì)方法來講，基于性能的抗震設(shè)計(jì)提出了多目標(biāo)控制方法，具有可預(yù)見性，帶給人們在抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)上更多的選擇空間。有關(guān)“多目標(biāo)的控制方法”的概念主要體現(xiàn)在用戶需求、項(xiàng)目投資能力等方面，在多項(xiàng)抗震設(shè)計(jì)方案比選中，經(jīng)濟(jì)指標(biāo)應(yīng)納入?yún)⒖挤秶?。該方法要求在保障人們的生命安全的前提下，控制?jīng)濟(jì)財(cái)產(chǎn)損失量。

在評價建筑物抗震性能狀態(tài)的物理量中，除了力、位移、加速度以外，還應(yīng)該有能量和損傷程度的量化表述?；谛阅艿目拐鹪O(shè)計(jì)要求計(jì)算出在不同地震強(qiáng)度作用下，結(jié)構(gòu)在進(jìn)入非彈性階段后，各項(xiàng)性能指標(biāo)的反映值和結(jié)構(gòu)自身的能力值[2]。由于力的指標(biāo)無法全方位描述非彈性狀態(tài)及結(jié)構(gòu)破壞損傷，能量指標(biāo)又在實(shí)際應(yīng)用中存在困難，目前基于性能的抗震研究主要集中在基于位移的抗震設(shè)計(jì)方法上。早在20世紀(jì)90年代，J.P.Moehle 所提出的抗震設(shè)計(jì)概念正是基于結(jié)構(gòu)在預(yù)定地震影響下的變形，旨在控制結(jié)構(gòu)的位移指標(biāo)。

進(jìn)入21世紀(jì)后，人們對建筑物的使用需求日益多樣化，抗震設(shè)防的標(biāo)準(zhǔn)也日趨提高，更加注重在地震中保證建筑物的使用功能。隨著現(xiàn)代計(jì)算機(jī)在工程抗震計(jì)算領(lǐng)域的應(yīng)用，抗震設(shè)計(jì)理論以及方法的日漸成熟，我國的工程抗震設(shè)計(jì)也開始將目光由傳統(tǒng)的抗震設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)投向基于性能的抗震設(shè)計(jì)理論。我國在2004年頒布了CECS 160∶2004建筑工程抗震性態(tài)設(shè)計(jì)通則(試用)(以下簡稱《通則》)，為基于性能的抗震設(shè)計(jì)理論在我國發(fā)展開辟了新的道路。《通則》的抗震設(shè)計(jì)目標(biāo)以預(yù)防為主，對于人口稠密地區(qū)的重要建筑應(yīng)適當(dāng)?shù)卦黾悠淇拐鹦阅埽蛊湓诘卣饡r及地震后能夠基本保持預(yù)定的使用功能，將地震對人的生命和財(cái)產(chǎn)危害降到最低[3]。

3 基于性能的鋼結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)方法

3.1 基于Pushover分析方法

Pushover分析方法由能力譜法經(jīng)過不斷地發(fā)展而來，最早是由Freeman等人[4]提出。Pushover分析方法是一種靜力彈塑性方法，利用這種方法可以得到結(jié)構(gòu)在彈塑性狀態(tài)下的強(qiáng)度值和變形量，也可以發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)在動力影響下的薄弱環(huán)節(jié)。該方法是對某個結(jié)構(gòu)施加單調(diào)遞增的水平荷載，使其達(dá)到一個給定的目標(biāo)位移，以此來分析結(jié)構(gòu)的非線性變形能力以及破壞過程[5]。換言之，基于Pushover分析是將一個多自由度體系轉(zhuǎn)化為等效的單自由度體系，并利用等效單自由度體系研究整體的承載力。隨著基于性能的抗震設(shè)計(jì)方法的不斷發(fā)展，Pushover分析方法已成為基于性能設(shè)計(jì)的重要工具。

由于Pushover分析方法的基本假定，該方法更適合于以第一振型為主的結(jié)構(gòu)，并且水平加載模式的選取也對計(jì)算結(jié)果有較大影響。2008年，葛杰[5]將鋼結(jié)構(gòu)的多層和高層框架結(jié)構(gòu)分別在多遇和罕遇地震作用下進(jìn)行Pushover分析，對結(jié)構(gòu)的抗震性能進(jìn)行多方面的評估，驗(yàn)證了Pushover分析方法在鋼結(jié)構(gòu)框架抗震驗(yàn)算的適用性和可靠性。另外，在與反應(yīng)譜分析法和時程分析法的比較中，他發(fā)現(xiàn)Pushover分析方法更宜在多層鋼結(jié)構(gòu)中使用。

3.2 增量動力分析方法(IDA)

增量動力分析(IDA)是將各條地震波的幅值不斷進(jìn)行調(diào)整，對結(jié)構(gòu)的分析從彈性階段到屈服階段，再由彈塑性階段最終進(jìn)入結(jié)構(gòu)破壞狀態(tài)，即整體不穩(wěn)定狀態(tài)[6]。在這一過程中，進(jìn)行大量的非線性動力分析。在不同的地震等級情況下，該方法能夠體現(xiàn)出結(jié)構(gòu)相應(yīng)的抗震能力，包括結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、剛度和變形過程。

在IDA方法的實(shí)施過程中，首先應(yīng)該選取具有代表性的數(shù)條地震波，在確定地面烈度和結(jié)構(gòu)狀態(tài)變量后，通過調(diào)整地震加速度進(jìn)行時程分析，得出的時程分析結(jié)果曲線就是IDA曲線。對于該曲線的分析可以利用需求和能力系數(shù)法進(jìn)行性能評估。研究表明，IDA方法可與Pushover分析法相結(jié)合使用，以更加有效地評估鋼結(jié)構(gòu)的抗震性能。2013年，李成[6]對某6層鋼結(jié)構(gòu)框架進(jìn)行了增量動力分析，得出了IDA曲線，他還發(fā)現(xiàn)該方法可用于位移放大系數(shù)和結(jié)構(gòu)延性系數(shù)等方面的研究。

3.3 蟻群優(yōu)化法(ACO)

20世紀(jì)90年代初，蟻群算法率先由意大利學(xué)者M(jìn). Dorigo，V. Maniezzo和Colorni提出[7]。這種算法源于對螞蟻的仿生學(xué)研究，螞蟻相互之間通過激素傳遞信息，使得蟻群總能形成一條通向食物的最優(yōu)路徑。當(dāng)原有路徑上出現(xiàn)障礙物時，蟻群也能很快重新找到新的路徑。通過研究蟻群的行為，人們得出結(jié)論：當(dāng)某條路徑有越多的螞蟻?zhàn)哌^，就將會有更多的螞蟻選擇該路徑。從M.Dorigo首次提出螞蟻算法到目前為止已有二十多年，大量的文獻(xiàn)證明該算法是解決組合優(yōu)化問題的有效工具。

2010年，Kaveh等人[8]利用蟻群優(yōu)化法(ACO)對鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行了基于性能的抗震設(shè)計(jì)。他們通過計(jì)算機(jī)程序，采用非線性分析得出鋼結(jié)構(gòu)在各類地震情況下的動力響應(yīng)，證明蟻群優(yōu)化法與其他算法相比，其離散的數(shù)學(xué)運(yùn)算更適合解決此類優(yōu)化問題。

4 結(jié)語

鋼結(jié)構(gòu)與一般的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)、砌體結(jié)構(gòu)相比，憑借輕質(zhì)高強(qiáng)、施工速度快、抗震性能好和回收率高等優(yōu)點(diǎn)，可修建大空間、大跨度的公共建筑、工業(yè)廠房和多高層住宅樓，其發(fā)展具有廣闊的空間。我國正處在社會經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展的時期，鋼結(jié)構(gòu)勢必將成為未來主流的房屋結(jié)構(gòu)形式之一。另一方面，近年來基于性能的抗震設(shè)計(jì)方法在大型復(fù)雜工程中的應(yīng)用也越來越多，該設(shè)計(jì)方法將成為未來工程抗震領(lǐng)域的新趨勢。因此，在對基于性能的鋼結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)方法的研究中得出以下結(jié)論：

1)由于基于性能的抗震設(shè)計(jì)方法較傳統(tǒng)的抗震設(shè)計(jì)理論提出了更高的要求，其考慮了地震風(fēng)險(xiǎn)水平、投資實(shí)力、建筑功能和重要性等諸多因素，需要采取不同的抗震結(jié)構(gòu)體系和方法來分析、評估結(jié)構(gòu)的抗震能力，這種基于“投資—效益”[9]的準(zhǔn)則需要更加復(fù)雜的優(yōu)化算法來完成目標(biāo)控制。較常見的有關(guān)于耗能減震鋼結(jié)構(gòu)基于性能的抗震設(shè)計(jì)方法研究，但和傳統(tǒng)的抗震設(shè)計(jì)方法相比，基于性能的抗震設(shè)計(jì)方法在實(shí)際工程應(yīng)用中還需要進(jìn)一步的優(yōu)化。

2)基于性能的抗震設(shè)計(jì)方法在實(shí)際使用中，往往是多種方法綜合利用，各類方法可相互驗(yàn)證，這種在計(jì)算中的優(yōu)勢互補(bǔ)可使結(jié)果更加精確合理。例如增量動力分析法計(jì)算時，就可與Pushover分析方法結(jié)合使用，能夠更加有效地評估建筑物的抗震性能。

[1] 彭觀壽,高軒能.基于性能的鋼結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)理論與方法[J].鋼結(jié)構(gòu),2007,22(1):49-54.

[2] 王春浩,陜吉祿.耗能減震鋼結(jié)構(gòu)住宅設(shè)計(jì)體系初探[J].中國住宅設(shè)施,2011(7):51-53.

[3] CECS 160∶2004，建筑工程抗震性態(tài)設(shè)計(jì)通則(試用)[S].

[4] Freeman, Moghadam AS. Pushover Procedure for seismic analysis of building [J].Progess in Structural Engineering and Materials,1998,1(3):337-338.

[5] 葛 杰.基于Pushover方法的多高層鋼結(jié)構(gòu)的抗震研究[D].哈爾濱:哈爾濱工程大學(xué),2008.

[6] 李 成.鋼結(jié)構(gòu)的增量動力分析(IDA)方法與應(yīng)用[J].煤炭技術(shù),2013,32(1):135-137.

[7] 胡小兵,黃席樾.蟻群優(yōu)化算法及其應(yīng)用[J].計(jì)算機(jī)仿真,2004,21(5):81-85.

[8] Kaveh,B.Farahmand Azar,A.Hadidi,et al.Performance-Based Seismic Design of Steel Frames Using Ant Colony Optimization [J].Journal of Constructional Steel Research,2010,66(4):566-574.

[9] 湯統(tǒng)壁.耗能減震鋼結(jié)構(gòu)基于性能的抗震設(shè)計(jì)方法研究[D].廣州:廣州大學(xué),2007.

Performance-based seismic design method study for steel structures

Shen Jinyi

(SchoolofCivilEngineeringandArchitecture,SWPU,Chengdu610500,China)

As the advancing of seismic design requirements of large complex project, the performance-based seismic design method will become the new tendency in the field of future anti-seismic engineering. This method comprehensively considers the principal elements such as earthquake risk level, project investment capacity, function and materiality of building, etc. It analyzes and assesses the seismic resistance of structures by taking different seismic structure system. The application of algorithms such as Pushover Analysis, Incremental Dynamic Analysis, Ant Colony Optimization makes performance-based seismic design method of steel structure more accurate and reasonable.

steel structure， performance design， seismic design method

2015-05-08

申晉益(1988- )，男，在讀碩士

1009-6825(2015)17-0016-02

TU352.11

A