建筑結(jié)構(gòu)抗震分析

于淼

摘 要：我國(guó)地處全球兩個(gè)最活躍的地震帶，東臨環(huán)太平洋地震帶。西部和西南部是歐亞地震帶經(jīng)過(guò)的地區(qū)。所以我國(guó)歷史上就是一個(gè)多地震的國(guó)家。而地震是人類(lèi)社會(huì)面臨的一種嚴(yán)重的自然災(zāi)害之一，破壞力極強(qiáng)，人民的生命和財(cái)產(chǎn)損失也很大。地震專(zhuān)家對(duì)歷次地震的分析顯示，95%以上的人員傷亡是由房屋倒塌造成的，僅有不足5%的人員傷亡是直接由地震及地震引發(fā)的水災(zāi)、山體滑坡等次生災(zāi)害導(dǎo)致的。因此提高房屋的抗震性能對(duì)減少地震對(duì)人民生命財(cái)產(chǎn)安全的損失具有極其重要意義。

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

1現(xiàn)代抗震設(shè)計(jì)理念結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)理念經(jīng)歷了一系列變化，我國(guó)抗震設(shè)計(jì)規(guī)范（建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)）應(yīng)遵循三個(gè)層次的抗震設(shè)防目標(biāo)，即“小震不壞，中震可修，大震不倒塌”

在這種設(shè)計(jì)思想下，結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)經(jīng)歷了剛性設(shè)計(jì)、柔性設(shè)計(jì)、延性設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)控制設(shè)計(jì)四個(gè)階段。通過(guò)對(duì)結(jié)構(gòu)非線性性能的研究，發(fā)現(xiàn)在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中所采取的地震作用只能使結(jié)構(gòu)具有基本的屈服承載力。當(dāng)發(fā)生較大地震時(shí)，結(jié)構(gòu)控制部分屈服后進(jìn)入非彈性變形狀態(tài)，屈服后其非彈性變形能力可承受地震作用。從而形成了現(xiàn)代抗震設(shè)計(jì)理論，即結(jié)構(gòu)在一定的地震作用下發(fā)生屈服，屈服后達(dá)到非彈性變形狀態(tài)以耗散能量。合理選擇地震作用來(lái)確定結(jié)構(gòu)的屈服水平是現(xiàn)代抗震設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容。首先以具有統(tǒng)計(jì)意義的峰值地震動(dòng)加速度作為抗震強(qiáng)度指標(biāo)值（中強(qiáng)地震），然后利用地震動(dòng)加速度（小震）進(jìn)行結(jié)構(gòu)強(qiáng)度設(shè)計(jì)，從而確定結(jié)構(gòu)的屈服水平。采取了有效的抗震措施，以滿足與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)相對(duì)應(yīng)的延性承載力。

2建筑結(jié)構(gòu)抗震性能分析

地震的破壞是巨大的，因此建筑物的抗震性能顯得尤為重要。在抗震研究中，結(jié)構(gòu)抗震性能分析是一項(xiàng)重要內(nèi)容。非線性時(shí)程分析法和非線性靜力分析法是地震分析中常用的方法。結(jié)構(gòu)非線性響應(yīng)的非線性時(shí)程分析方法（非線性動(dòng)力響應(yīng)分析）經(jīng)歷了從基于層模型或單排梁柱模型的方法，到基于截面多彈簧模型的方法，再到基于截面纖維滯回本構(gòu)關(guān)系的纖維模型方法，使仿真精度不斷提高。其基本思想是通過(guò)一系列數(shù)值方法建立和求解動(dòng)力方程，從而得到結(jié)構(gòu)在各個(gè)時(shí)刻的響應(yīng)。然而，由于地震特征和結(jié)構(gòu)特征的假設(shè)，使得計(jì)算結(jié)果具有不確定性。其主要價(jià)值在于研究地震作用下的一般反應(yīng)規(guī)律，而不是具體的反應(yīng)規(guī)律，并在抗震設(shè)計(jì)后對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行驗(yàn)算分析，以評(píng)價(jià)其抗震性能：非線性靜力分析法（Pushover）是近年來(lái)廣泛應(yīng)用的一種新的結(jié)構(gòu)抗震能力評(píng)價(jià)方法。該方法本質(zhì)上是一種靜態(tài)非線性計(jì)算方法，但在計(jì)算過(guò)程中引入了反應(yīng)譜。它的基本思路是先以某種方法得到結(jié)構(gòu)在地震作用下所對(duì)應(yīng)的目標(biāo)位移，然后對(duì)結(jié)構(gòu)施加豎向荷載，并將表征地震作用的一組水平靜力荷載以單調(diào)遞增的形式作用到結(jié)構(gòu)上，在達(dá)到目標(biāo)位移時(shí)停止荷載遞增，最后在荷載中止?fàn)顟B(tài)對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行抗震性能評(píng)估，判斷是否可以保證結(jié)構(gòu)在該地震作用下滿足功能需求。

3結(jié)構(gòu)抗震概念設(shè)計(jì)

由于地震作用的隨機(jī)性、復(fù)雜性、間接性和偶然性，尤其在高層建筑中結(jié)構(gòu)自振周期、材料性能、阻尼變化和基礎(chǔ)差異沉降等因素的影響，使結(jié)構(gòu)在地震作用下表現(xiàn)出極大的復(fù)雜性和計(jì)算假定與實(shí)際情況的不符，且目前各國(guó)所制定的抗震設(shè)計(jì)規(guī)范差異較大，甚至反映在定性分析上其結(jié)論完全相反，使計(jì)算結(jié)果差距很大。因此，在結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)上不能完全依賴(lài)計(jì)算設(shè)計(jì)，在很大程度上，結(jié)構(gòu)抗震性能的決定因素是良好的概念設(shè)計(jì)。概念設(shè)計(jì)即通過(guò)對(duì)建筑物的總體結(jié)構(gòu)體系進(jìn)行控制，選用體型簡(jiǎn)單、規(guī)則，平面對(duì)稱(chēng)，抗側(cè)力體系的剛度和承載力上下變化連續(xù)、均勻的方案，設(shè)計(jì)出抗震性能良好的建筑。同時(shí)，概念設(shè)計(jì)還考慮以下因素：場(chǎng)地條件和場(chǎng)地土的穩(wěn)定性、非結(jié)構(gòu)構(gòu)件與主體結(jié)構(gòu)的關(guān)系及二者之間的錨拉、材料與施工等。[3]建筑物的體型是否對(duì)抗震有利是抗震設(shè)計(jì)首先遇到的問(wèn)題。為此，應(yīng)做到以下幾點(diǎn)：（1）建筑形狀應(yīng)力求規(guī)則和簡(jiǎn)單。通常認(rèn)為簡(jiǎn)單的平、立面圖形是方形或圓形的，而復(fù)雜的圖形是有凹角的，容易造成有應(yīng)力集中或變形集中的薄弱環(huán)節(jié)。如墨西哥城在1985年9月地震中，不少三角形建筑均遭到嚴(yán)重的破壞。從結(jié)構(gòu)角度而言，平面形狀是三角形的結(jié)構(gòu)迎風(fēng)面較大，在水平風(fēng)力作用下，它受力的效果，即抗彎曲變形和抗側(cè)移的能力比圓形、橢圓形、正方形、正多邊形、十字形、工字形、口字形等平面形式的高層建筑要弱很多，而使得建筑物安全性較差。

建筑結(jié)構(gòu)盡量對(duì)稱(chēng)，盡可能滿足建筑豎向均勻性。均勻性問(wèn)題存在于建筑的豎向布置中，布置不均勻的結(jié)果產(chǎn)生了剛度、強(qiáng)度的突變，引起豎向的應(yīng)力集中或在變形集中，以致在中小型地震中損壞，在大震時(shí)倒塌。例如。由于結(jié)構(gòu)豎向不規(guī)則，上部結(jié)構(gòu)剛度與底層結(jié)構(gòu)剛度比較大，形成所謂“雞腿”建筑，地震時(shí)底層完全倒塌而上部結(jié)構(gòu)基本完好;結(jié)構(gòu)中部某一層剛度、承載力突變，則可能形成薄弱層或軟弱層，地震時(shí)這一層的塑性變形過(guò)大，超過(guò)結(jié)構(gòu)的變形能力或承載力，引起結(jié)構(gòu)構(gòu)件的嚴(yán)重破壞，樓層塌落，結(jié)構(gòu)倒塌;結(jié)構(gòu)頂部收進(jìn)較多或頂部剛度很小，由于地震的鞭梢效應(yīng)使結(jié)構(gòu)頂部變形過(guò)大而導(dǎo)致破壞。

4性能的結(jié)構(gòu)抗震

設(shè)計(jì)思想隨著社會(huì)的不斷進(jìn)步，人們逐漸認(rèn)識(shí)到，在現(xiàn)代化充分發(fā)展的今天，再單純強(qiáng)調(diào)結(jié)構(gòu)在地震中不嚴(yán)重破壞和不倒塌，已不是一種完善的抗震思想，不能適應(yīng)現(xiàn)代工程結(jié)構(gòu)抗震的需要。在這樣的背景下，美國(guó)和日本學(xué)者提出了基于性能的抗震設(shè)計(jì)理念?；谛阅艿目拐鹪O(shè)計(jì)的基本思想，就是要使設(shè)計(jì)出來(lái)的結(jié)構(gòu)在未來(lái)的地震發(fā)生時(shí)，能夠達(dá)到各種選定的性能目標(biāo)，包括結(jié)構(gòu)進(jìn)入非彈性階段后損傷控制目標(biāo)。其基礎(chǔ)和關(guān)鍵工作是性能目標(biāo)的確定，它包括設(shè)定地震水準(zhǔn)、定義性能水準(zhǔn)和選擇性能目標(biāo)。如前所述，我國(guó)抗震設(shè)計(jì)規(guī)范提出了三個(gè)水準(zhǔn)的抗震設(shè)防目標(biāo)，這個(gè)設(shè)防目標(biāo)包含了地震水準(zhǔn)和性能水準(zhǔn)，實(shí)際上就是一個(gè)性能目標(biāo)，只不過(guò)目標(biāo)單一，沒(méi)有可選擇性。因此可以說(shuō)，抗震規(guī)范的設(shè)計(jì)方法已經(jīng)具有了基于性能的抗震設(shè)計(jì)思想的雛形。由于對(duì)結(jié)構(gòu)性能狀態(tài)的具體描述、相應(yīng)的計(jì)算方法、以及設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)目前尚未明確，因此可以說(shuō)，基于性能的抗震設(shè)計(jì)目前基本上仍停留在概念階段，在工程中廣泛應(yīng)用的條件還不成熟。但是，隨著人們對(duì)建筑產(chǎn)品要求的提高，各種新結(jié)構(gòu)、不規(guī)則結(jié)構(gòu)和超出規(guī)范適用范圍的結(jié)構(gòu)會(huì)逐漸增多，在沒(méi)有規(guī)范可供遵循的條件下，采用基于性能的抗震設(shè)計(jì)思想進(jìn)行這些結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)，并通過(guò)專(zhuān)家論證，是一個(gè)可行、有效的設(shè)計(jì)途徑。

5結(jié)束語(yǔ)

總之，在當(dāng)前我國(guó)建筑行業(yè)發(fā)展的過(guò)程中，對(duì)建筑物進(jìn)行相應(yīng)的抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是很有必要的，這不僅可以使得整個(gè)工程項(xiàng)目施工的效益得到保障，還使得建筑物的安全性和穩(wěn)定性得到進(jìn)一步的提升。不過(guò)，從當(dāng)前我國(guó)建筑抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的實(shí)際情況來(lái)看，其中還存在著許多的問(wèn)題，為此我們還要在不斷的實(shí)踐過(guò)程中，來(lái)對(duì)其設(shè)計(jì)理念進(jìn)行相應(yīng)的優(yōu)化和改進(jìn)，并且嚴(yán)格根據(jù)工程施工的實(shí)際情況，來(lái)對(duì)其進(jìn)行處理，從而使得建筑工程的施工質(zhì)量得到保障，促進(jìn)我國(guó)建筑行業(yè)的穩(wěn)定發(fā)展。

參考文獻(xiàn)

[1] 陳虎.結(jié)構(gòu)抗震概念設(shè)計(jì)雜談[J].建材發(fā)展導(dǎo)向，2015，（09）

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[3] 張新培.基于性能的抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理論的若干進(jìn)展[J].四川建筑科學(xué)究，2016，（11）