淺析鋼結構方面基于性能的抗震設計

李玥（新鄭市住房和城鄉(xiāng)建設局）

淺析鋼結構方面基于性能的抗震設計

李玥
（新鄭市住房和城鄉(xiāng)建設局）

社會的發(fā)展，人們對大型工程的抗震設計要求逐漸提升，我國引入世界上關于鋼結構方面基于抗震性能設計的思想，研制出了一套適用于我國設計規(guī)范的鋼結構方面基于性能的抗震設計方法。這一方法漸漸成為將來工程抗震的新趨勢。其綜合考慮了地震風險、投資能力以及建筑功能等重要因素，采用彈塑性及彈性的方法和抗震結構體系分析不同水準的地震情況下的部件受力與變形、評估結構的抗震性能。

鋼結構；性能設計；抗震設計

引言

每一次大地震的發(fā)生，幾乎都會給國家及人民的財產安全、生命安全帶來極大的威脅。目前，各地城市化的進程加快，城市建筑越來越高，人口也越來越密集。而這些人口密集的地區(qū)如果發(fā)生強烈地震，將造成不可預計的人員傷亡與財產損失。發(fā)生在尼泊爾的8.1級大地震，據(jù)統(tǒng)計死亡人數(shù)高達數(shù)千人，90%多的建筑物被損毀。長期以來，人類社會對于地震的研究從未停止過，但是由于地震在檢測及預報上存在一定困難，目前依然沒有找到有效預警地震的方法。以往大量數(shù)據(jù)證明，地震中的人員傷亡絕大部分是由于建筑倒塌所導致的。因而，我們要盡可能做好建筑抗震的設計，以期減輕地震對建筑結構帶來的破壞。在實際的工程設計過程中，設計者通過選用好的建筑材料、研究更完善的抗震設計方法來提升建筑物的抗震性能。

1　鋼結構方面的抗震優(yōu)勢

目前的工程建設中大多采用鋼筋混凝土和砌體結構，但是這種結構都存在著自重大、地震的耗能效果差的缺陷。從汶川大地震后的現(xiàn)場可以看出，坍塌的建筑物類型大多以砌體結構為主。砌體和混凝土等這些脆性材料其本身延展性小、構件之間為剛性連接，所以這一類型的結構在地震的作用下變形小，無法充分地吸收地震的能量。大多數(shù)砌體建筑結構的自重相對較大，構件間連接薄弱，缺乏構造柱、圈梁等一些抗震結構。這類建筑物在地震中容易發(fā)生坍塌造成大量的人員傷亡。

鋼結構與砌體結構相比在抗震性能方面擁有很大的優(yōu)勢。因為鋼結構強度很大，在相同的荷載力下，其自重輕的優(yōu)點越發(fā)明顯。輕質高強這一特點使鋼結構即使在發(fā)生地震時也不會由于自重問題而導致建筑結構發(fā)生斷裂現(xiàn)象。鋼材是勻質性和各向同性好的材料，很符合材料關于力學的假定，其計算出的結果和實際的受力較為匹配。因而，鋼材料在一定量的荷載范圍內能夠保持較好的彈塑性而不變形。也不會由于偶然的超載而產生脆性破壞。除此之外，鋼結構具有良好的韌性，這一特點使得鋼結構在荷載力作用下展現(xiàn)出其它結構所不能比擬的適應能力。通過剛彈性鋼結構構成的整體，能夠對抗較大幅度的變形，有效充分地消耗地震所帶來的能量，是一種延展性良好的結構。因此，鋼結構非常適合用于地震頻發(fā)地帶的建筑建造。

面對多樣的結構類型，當前我國對于抗震設計的規(guī)范均采取一致的分析方法，并沒有對不同建筑結構類型采用針對性抗震性能的計算。隨著我國鋼鐵產量的提高，鋼結構的發(fā)展日益快速，越來越多應用于建筑中去。從目前的鋼結構建筑的發(fā)展要求看來，鋼結構方面基于性能的抗震設計原理及方法的深化和改善勢在必行。

2　抗震設計思想

美國加州大學的J.P.Moehle最早提出基于性能的抗震結構這一設計思想。其核心是滿足建筑在使用期限之內的各項預定功能指標，然后確定抗震設計的目標及方法?；谛阅苓@種抗震設計方法是對傳統(tǒng)的抗震設計的進一步細化，為發(fā)展建筑工程的抗震計算這一領域帶來了新的契機。相較于傳統(tǒng)抗震設計辦法，基于性能的抗震設計指出多目標控制的方法，有很強的可預見性，為人們在抗震標準上提供了更多的選擇。

在評價建筑抗震性能的物理量當中，除了力、加速度、位移之外，還要包括損傷程度及能量的量化描述。但是因為力的指標沒辦法全面描述結構破壞損傷以及非彈性狀態(tài)，在實際應用當中能量指標又存在困難，所以目前這一抗震研究主要是在基于位移的設計方法上。

隨著時代的發(fā)展進步，人類對建筑的需要變得多樣化，抗震設計的標準也逐漸提高，更加注重建筑在地震時能夠保證其功能的正常使用。隨著計算機在工程計算中的應用，抗震的設計理論及其方法日趨成熟，我國也開始把眼光從傳統(tǒng)抗震設計轉向基于性能的抗震設計這一理論中去。極大促進了我國建筑的發(fā)展，有效保障了受地震威脅的人民的生命財產安全。

3　基于性能的抗震設計方法

3.1Pushover分析方法

Pushover分析方法是從能力普法不斷發(fā)展而來的。這一分析方法是一種彈力的彈塑性方法，通過這種方法能夠得出建筑結構在彈塑性下的變形值與強度值，還能夠找出建筑結構的薄弱環(huán)節(jié)。這一方法是對其中某個建筑結構施加遞增的荷載力，是它到達給定的目標位移，通過這種方式來分析結構的變形能力及其破壞過程。換一句話說，Pushover分析方法是把多自由度體系變?yōu)橄嗟刃膯巫杂啥润w系，且通過這一體系來研究建筑結構的整體承載力。目前Pushover分析方法已經成了抗震性能設計的重要工具之一。

因為基本假定，Pushover分析方法更加適用于第一振型結構中，且選取水平加載模式也會對計算的結果產生較大影響。2008年，工程師葛杰把鋼結構的高層及多層框架結構在罕見地震和多見地震的作用下分別進行了Pushover分析，多方面評估建筑結構的抗震能力，論證了這一方法在鋼結構中抗震計算的可行性和可靠性。

3.2增量動力的分析方法

增量動力分析方法是指將地震波幅值進行不斷調整，對建筑結構的分析由彈性階段變?yōu)榍A段，再從彈塑性階段進入到最終的結構破壞的狀態(tài)。即不穩(wěn)定狀態(tài)。在這過程中，要進行大量非線性動力的分析。在地震等級不同的情況下，此方法可以體現(xiàn)結構的相應抗震性能，包括結構剛度、強度以及變形過程。

在這一方法實施過程當中，應該選擇有代表性的幾條地震波，確定了地面烈度及結構狀態(tài)的變量后，調整地震的加速度進行分析，得出的結果曲線便是增量動力分析的曲線。對這一曲線的分析研究可以采用能力和需求系數(shù)法進行評估。經研究，增量動力分析方法能夠和Pushover分析方法結合使用，這樣便能夠更為有效的評估鋼結構基于性能的抗震能力。

3.3蟻群優(yōu)化方法

蟻群算法率在20世紀90年代由學者Colorni，M.Dorigo和V.Maniezzo提出。這一算法來源于螞蟻仿生學研究，在螞蟻之間的信息傳遞是通過激素進行的，這種信息傳遞的方法使蟻群形成一條能夠通往食物的最佳路線。而當這一最佳路線出現(xiàn)障礙時，其也可以快速找到新的路線。通過這一研究得出結論：當某一個路線有很多螞蟻通過時，就會有更多的螞蟻會選擇這一路線。

2010年，Kaveh等人采用這一方法進行鋼結構抗震性能的設計。他們利用計算機的程序，采取非線性分析法，最終得出鋼結構在各種類型地震下的動力響應，證實了蟻群優(yōu)化方法較之其它方法更適合解決這類優(yōu)化問題。

4　結語

鋼結構與一般的砌體結構、混凝土結構相比較，其擁有輕質高強、抗震性能好、施工速度快及回收率高等幾大優(yōu)點，可以用于空間大、跨度大的公共建筑、高層住宅樓及工業(yè)廠房的修建。目前，我國正處于經濟快速發(fā)展時期，鋼結構必然會成為今后建筑結構的主流形式。另外，近些年來，在大型的工程中基于性能的抗震設計的應用越來越多，這一設計方法也將會成為今后建筑工程結構抗震領域的新形勢。因此，在對鋼結構方面基于性能的抗震分析研究中可以得出兩點結論：

（1）較之傳統(tǒng)的抗震設計理論，基于性能的抗震設方法提出了更加高的要求，它充分考慮了建筑投資能力、功能及地震風險水平等諸多重要因素，需采取不一樣的抗震體系及方法對建筑結構抗震能力進行分析評價，如此需用更為復雜的算法完成目標的控制。因此，在實際工程的應用中還有待進一步優(yōu)化。

（2）此抗震設計在實際應用中，通常是多種方法相結合，互相驗證綜合使用，在計算中使結果更為準確。

[1]彭觀壽.基于性能的鋼結構抗震設計理論與方法[J].2007，22（1）：49～54

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TU391

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2015-11-28