基于性能的建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)分析

陳金華 曲鵬

摘 要：近年來，基于性能的抗震設(shè)計(jì)也逐漸成為人們廣泛關(guān)注的焦點(diǎn)。本文主要闡述了基于性能的抗震設(shè)計(jì)的各方面，并探討了相關(guān)的設(shè)計(jì)方法，以期為抗震設(shè)計(jì)工作的開展提供一些幫助。

關(guān)鍵詞：建筑結(jié)構(gòu)；抗震設(shè)計(jì)；分析

通常建筑物本身是一個(gè)龐大而又復(fù)雜的系統(tǒng)，各種構(gòu)件以相當(dāng)復(fù)雜的方式共同工作，在遭受地震作用后它的破壞機(jī)理和破壞過程相應(yīng)的都十分復(fù)雜。由于地震作用的隨機(jī)性、不確定性和復(fù)雜性，結(jié)構(gòu)計(jì)算模型的基本假定與實(shí)際情況的差異，在結(jié)構(gòu)分析方面不能充分考慮結(jié)構(gòu)的空間作用、非彈性性質(zhì)、材料時(shí)效、阻尼變化等多種因素，要準(zhǔn)確預(yù)測(cè)結(jié)構(gòu)所遭遇地震的特性和參數(shù)是很難做到的，即存在著不確定性。

因此，建筑結(jié)構(gòu)工程抗震設(shè)計(jì)問題中，不是完全依賴結(jié)構(gòu)抗震計(jì)算設(shè)計(jì)解決，應(yīng)立足于工程抗震基本理論和長期工程抗震經(jīng)驗(yàn)總結(jié)的工程抗震基本概念，從結(jié)構(gòu)抗震概念設(shè)計(jì)的角度，遵循結(jié)構(gòu)的破壞過程和破壞機(jī)理，著眼于結(jié)構(gòu)的總體地震反應(yīng)，靈活運(yùn)用抗震設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，全面合理地解決結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)中的基本問題，最終提高結(jié)構(gòu)的抗震能力。

建筑結(jié)構(gòu)基于性能的抗震設(shè)計(jì)方法

作為性能設(shè)計(jì)理論的重要內(nèi)容，基于性能的抗震設(shè)計(jì)方法顯得尤為重要。那么怎樣合理的運(yùn)用基于性能抗震設(shè)計(jì)理念則引起了人們的廣泛關(guān)注，為了能夠把它有效地運(yùn)用到實(shí)際中來，有很多學(xué)者都對(duì)此進(jìn)行了思考，但是卻還沒有統(tǒng)一的認(rèn)識(shí)，通過他們的總結(jié)，我們可以知道讓性能設(shè)計(jì)思想運(yùn)用到實(shí)際設(shè)計(jì)中來主要有兩種方法：

1.1傳統(tǒng)基于力的設(shè)計(jì)方法

這種方法在進(jìn)行變形驗(yàn)算之前，需要先進(jìn)行基于地震作用的強(qiáng)度設(shè)計(jì)。但是，這種設(shè)計(jì)方法和現(xiàn)在的設(shè)計(jì)方法有很多不同之處，主要是結(jié)構(gòu)性能水平要進(jìn)行明確的量化，如果是發(fā)生多級(jí)水平的地震，那在其作用下，還要對(duì)結(jié)構(gòu)性能進(jìn)行驗(yàn)算。如果在此過程中，要讓結(jié)構(gòu)性能目標(biāo)水平對(duì)結(jié)構(gòu)初期的投資要有一定的考慮，那么就需要采用可靠度理論和優(yōu)化思想來對(duì)其進(jìn)行確認(rèn)，與此同時(shí)，還能考慮到未來可能會(huì)遭遇到的地震損失。作為一種傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法，這種方法是被普遍應(yīng)用的。

1.2直接基于位移的抗震設(shè)計(jì)

這種設(shè)計(jì)方法的結(jié)構(gòu)性能指標(biāo)需要采用結(jié)構(gòu)位移。這種方法和傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法有很大的不同之處，與之相比，這種設(shè)計(jì)方法在根本上改變了設(shè)計(jì)過程。作為一種以目標(biāo)位移為設(shè)計(jì)變量的方法，這種設(shè)計(jì)思路可以根據(jù)不同的性能要求，從而考慮到建筑結(jié)構(gòu)的適用性和安全性。這種設(shè)計(jì)方法在設(shè)計(jì)位移時(shí)，可以了解結(jié)構(gòu)的有效周期，在此基礎(chǔ)上，還能知道建筑結(jié)構(gòu)的具體剛度，從而可以了解建筑結(jié)構(gòu)的基底剪力，再通過對(duì)其進(jìn)行分析，則設(shè)計(jì)出來的配筋就會(huì)更加具體。但是因?yàn)檫@種方法和傳統(tǒng)基于力的設(shè)計(jì)方法有很大的差別，所以在進(jìn)行研究工作時(shí)，不僅工作量大，而且還要細(xì)心，從而使其更加靠近工程實(shí)際，對(duì)于現(xiàn)在來說，這種方法還處于初期階段，尚在研究。

1. 建筑結(jié)構(gòu)的隔震和消震設(shè)計(jì)

現(xiàn)如今，隔震和消震常被應(yīng)用到抗震設(shè)計(jì)中，這是為了有效地提高建筑結(jié)構(gòu)的抗震性能，一般來說，耗能元件和它的體系可以和地震動(dòng)卓越周期相錯(cuò)開，這是為了保證共振，以防它被破壞，還能在一定程度上對(duì)地震振動(dòng)效應(yīng)和風(fēng)振起到一定的減輕作用。隔震的含義也就是和地震相隔離，人們?cè)O(shè)置隔震層都會(huì)設(shè)置在建筑物基礎(chǔ)和上部結(jié)構(gòu)之間，此時(shí)就會(huì)把房屋和基礎(chǔ)相隔離，當(dāng)?shù)孛孢\(yùn)動(dòng)的能量向建筑物傳遞時(shí)，隔離層就會(huì)起到一定的作用，這時(shí)，如果發(fā)生地震，那么建筑物的地震反應(yīng)也會(huì)有所減小，建筑物只會(huì)有一些輕微的運(yùn)動(dòng)或者變形，這在一定程度上也確保了建筑物的安全性。如果想要消能減震，那么就需要在建筑物中設(shè)置一些消能部件，讓消能部件消耗一些能量，這些能量是通過地震傳入到建筑物中的，其中有一些是由結(jié)構(gòu)的動(dòng)能承擔(dān)的，此項(xiàng)做法也能在一定程度上也能達(dá)到抗震的目的。

地震危險(xiǎn)性分析和建筑結(jié)構(gòu)的反應(yīng)

2. 地震危險(xiǎn)性分析

在相關(guān)的設(shè)計(jì)中，人們?yōu)榱擞行У拿枋龅卣鹞ｋU(xiǎn)性，采用最為普遍的方法就是加速度反應(yīng)譜。但是這種方法也有一定的局限性，那就是當(dāng)周期超過3.0s 時(shí)，其反應(yīng)譜的準(zhǔn)確性就不是很高。所以，人們?yōu)榱舜_切的知道地震的危險(xiǎn)性，都會(huì)對(duì)場(chǎng)地進(jìn)行仔細(xì)考察，這是為了讓建筑結(jié)構(gòu)能夠在較長周期段了解特征化的地震需求。假設(shè)：（a）根據(jù)建筑物的反應(yīng)，判斷它是是彈性的還是接近彈性的，就需要根據(jù)正常使用水準(zhǔn)評(píng)價(jià)來完成振型分析；（b）根據(jù)建筑物是否已形成非彈性反應(yīng)，就需要根據(jù)倒塌水準(zhǔn)評(píng)價(jià)來完成非線性反應(yīng)時(shí)程分析。所以，再設(shè)計(jì)相關(guān)的建筑結(jié)構(gòu)時(shí)，需要對(duì)以下情況有所了解：

1）有很多個(gè)振型都會(huì)對(duì)建筑結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)產(chǎn)生影響，而最明顯振型反應(yīng)的出現(xiàn)地也不確定。

2）如果想要提出與場(chǎng)地相關(guān)的反應(yīng)譜，那首先就要對(duì)場(chǎng)地的構(gòu)造環(huán)境有一定的了解；

3）為了達(dá)到更高的要求，建筑結(jié)構(gòu)工程師在選擇和建筑物高度、結(jié)構(gòu)形式相同的阻尼水準(zhǔn)時(shí)，必須做到謹(jǐn)慎；

4）幾何平均值譜需求具有不確定性，可能會(huì)小于最大值譜需求，也可能會(huì)大于最小值譜需求；

5）源效應(yīng)具有不確定性，長周期段的譜需求如發(fā)生變化，可能由它造成。

2. 建筑結(jié)構(gòu)的反應(yīng)

一般來說，如果建筑設(shè)計(jì)是建在較軟土層上，而且還具有一定的深埋實(shí)體基礎(chǔ)，那么就會(huì)產(chǎn)生不一樣的問題，那就是當(dāng)知道地震動(dòng)在地基層中因?yàn)樯疃榷a(chǎn)生的變化規(guī)律后，那就需要了解哪種地震動(dòng)在設(shè)計(jì)建筑物時(shí)才更加合適。這也被稱為基礎(chǔ)地震動(dòng)，這種地震動(dòng)和自由場(chǎng)地地面運(yùn)動(dòng)是完全不同的，這里所說的自由場(chǎng)地地面運(yùn)動(dòng)是通過地震危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)所預(yù)測(cè)到的。在對(duì)建筑結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究時(shí)，還要對(duì)基礎(chǔ)下土壤液化的可能性、邊坡的穩(wěn)定性和其他地震地質(zhì)危險(xiǎn)有一定的了解。為了有效的確定地震地面運(yùn)動(dòng)，還應(yīng)該對(duì)建筑物所在地點(diǎn)有所考慮，在此基礎(chǔ)上，還要了解它和震源斷裂的位置關(guān)系、所在地區(qū)的地質(zhì)特征和所選地震區(qū)的危險(xiǎn)性。通過分析，就可以得出一條風(fēng)險(xiǎn)反應(yīng)譜，這個(gè)反應(yīng)譜對(duì)不同周期和不同危險(xiǎn)性水準(zhǔn)下的線性譜加速度值都有一定的反應(yīng)，所以也就可以知道地震對(duì)該建筑物的地震危險(xiǎn)性起的作用。

結(jié)術(shù)語

地震是一種目前難以準(zhǔn)確預(yù)測(cè)的自然災(zāi)害。為避免它給人類帶來大的災(zāi)難。作為工程技術(shù)設(shè)計(jì)人員在建筑結(jié)構(gòu)的研究和工程設(shè)計(jì)中，應(yīng)從整體宏觀的觀點(diǎn)出發(fā)，綜合處理好建筑功能、技術(shù)、藝術(shù)、安全可靠性和經(jīng)濟(jì)合理等幾方面內(nèi)容，從而創(chuàng)造出更加安全、實(shí)用、經(jīng)濟(jì)美觀的建筑。

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（作者單位：山東安盛建筑規(guī)劃設(shè)計(jì)有限公司）