建筑結(jié)構(gòu)基于性能抗震設(shè)計(jì)的幾個(gè)問題

梅智凱

（常德市城鎮(zhèn)建筑規(guī)劃設(shè)計(jì)有限公司，湖南 常德 415003）

我國(guó)是地震多發(fā)國(guó)家，因此在建筑工程的設(shè)計(jì)施工中提高抗震性能就顯得尤為重要，但當(dāng)前的建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)普遍遵循“小震不壞、中震可修、大震不倒”的隨意性原則，沒有考慮到建筑結(jié)構(gòu)的變形驗(yàn)算、建筑結(jié)構(gòu)的非線性和線性地震反應(yīng)分析等重要過程。為了確保建筑物的抗震性能在面對(duì)不同等級(jí)的地震時(shí)能夠盡可能地減少人員傷亡，就需要在建筑結(jié)構(gòu)中基于性能進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)，以實(shí)現(xiàn)預(yù)期的抗震目標(biāo)。

1 淺析建筑結(jié)構(gòu)中基于性能的抗震設(shè)計(jì)理論

1.1 現(xiàn)行抗震設(shè)計(jì)理念存在的問題

首先，設(shè)計(jì)參數(shù)不合理?，F(xiàn)行的抗震設(shè)計(jì)一般都基于強(qiáng)度或承載力進(jìn)行考慮，但實(shí)際上強(qiáng)度或承載力并不是建筑物結(jié)構(gòu)保證抗震能力的唯一因素；其次，缺乏明確的性能概念。在現(xiàn)行的設(shè)計(jì)規(guī)范中，業(yè)主過于考慮經(jīng)濟(jì)成本、設(shè)計(jì)人員過于追求單純的重力承載，導(dǎo)致對(duì)于抗震性能的目標(biāo)概念描述模糊不明，為后續(xù)的施工埋下安全隱患；再者，對(duì)于損失的考慮不全面。現(xiàn)行的抗震設(shè)計(jì)理念只注重主體結(jié)構(gòu)損壞帶來的損失，而忽視了非主體結(jié)構(gòu)以及內(nèi)部設(shè)施所帶來的損壞；最后，規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)刻板、設(shè)計(jì)方法欠缺。設(shè)計(jì)人員受傳統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)的約束，缺乏主動(dòng)性和創(chuàng)新性，在設(shè)計(jì)方法上過于保守，不利于新技術(shù)的應(yīng)用。

1.2 基于性能的抗震設(shè)計(jì)理論

建筑結(jié)構(gòu)中給予性能的抗震設(shè)計(jì)理論最早由美國(guó)專家于1992年提出，其內(nèi)容包括：對(duì)建筑結(jié)構(gòu)進(jìn)行抗震計(jì)算分析，然后采取合理的構(gòu)造措施確保建筑結(jié)構(gòu)在滿足不同的抗震設(shè)防等級(jí)要求下達(dá)到預(yù)期的抗震目標(biāo)。這一理論的實(shí)施需要業(yè)主和設(shè)計(jì)人員共同參與，以業(yè)主和社會(huì)所能承受的地震損失為核心對(duì)不同的結(jié)構(gòu)制定不同的抗震性能目標(biāo)。在此過程中既要體現(xiàn)出結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)的“個(gè)性”，又要滿足抗震規(guī)范中規(guī)定的最低性能目標(biāo)以體現(xiàn)出“共性”，在此基礎(chǔ)之上結(jié)合“投資—收益”準(zhǔn)則對(duì)建筑結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

2 非結(jié)構(gòu)構(gòu)件性能以及基于性能的抗震設(shè)計(jì)理論框架

2.1 非結(jié)構(gòu)構(gòu)件性能在抗震中的作用

對(duì)建筑結(jié)構(gòu)抗震性能的評(píng)價(jià)必須建立在建筑構(gòu)件抗震性能模型之上，通常將抗震性能模型劃分為結(jié)構(gòu)性和非結(jié)構(gòu)性兩種，但后者為主要研究對(duì)象。非結(jié)構(gòu)構(gòu)件性能在抗震設(shè)計(jì)分析階段中的破壞和損失分析環(huán)節(jié)發(fā)揮著極其重要的作用，尤其在損失建筑的完成和修復(fù)、服務(wù)設(shè)備的構(gòu)建、維修成本以及非致命損傷等內(nèi)容上有突出貢獻(xiàn)，因此將其作為評(píng)估建筑工程抗震性能可靠性的一個(gè)關(guān)鍵指標(biāo)。在建筑工程的設(shè)計(jì)施工中，考慮非結(jié)構(gòu)構(gòu)件的性能有助于區(qū)分不同原件的受損程度，同時(shí)對(duì)預(yù)期經(jīng)濟(jì)和生命安全的設(shè)計(jì)方案進(jìn)行計(jì)算，使得建筑工程在滿足抗震需求的同時(shí)實(shí)現(xiàn)效益最大化。

2.2 建筑結(jié)構(gòu)基于性能的抗震設(shè)計(jì)理論框架

建筑結(jié)構(gòu)基于性能的抗震設(shè)計(jì)理論框架主要包括兩個(gè)部分：第一，對(duì)結(jié)構(gòu)抗震性能水準(zhǔn)的劃分。首先要確保在發(fā)生最大地震的情況下，使用者的生命安全得以保障；其次要確保在常規(guī)地震時(shí)，盡可能地減少使用者的財(cái)產(chǎn)損失，同時(shí)保證建筑物實(shí)現(xiàn)震后快速恢復(fù)；最后要確保在大震發(fā)生時(shí)將一切損失控制在業(yè)主可以接受的范圍內(nèi)。第二，確定合理的地震設(shè)防水準(zhǔn)。需要考慮的內(nèi)容包括：一個(gè)地區(qū)的設(shè)防投入、未來設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期內(nèi)預(yù)期的經(jīng)濟(jì)損失以及人員傷亡水平、地震強(qiáng)度和相關(guān)參數(shù)等，同時(shí)結(jié)合自身的經(jīng)濟(jì)發(fā)展程度和抗震經(jīng)驗(yàn)來確定設(shè)防水準(zhǔn)。

3 建筑結(jié)構(gòu)基于性能抗震設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容

基于性能的抗震設(shè)計(jì)其主要目的是為了在不同水平的地震作用下滿足抗震性能的實(shí)際需求，而目前為止還沒有形成統(tǒng)一的設(shè)計(jì)方法，但其主要內(nèi)容可從這幾方面進(jìn)行考慮：

3.1 嚴(yán)格控制地震設(shè)防水平

我國(guó)對(duì)于地震設(shè)防的劃分主要集中在“小震”、“中震”和“大震”三個(gè)層面上，這一原則是建立在全國(guó)范圍內(nèi)對(duì)地震烈度設(shè)防區(qū)劃圖的研究基礎(chǔ)上，運(yùn)用概率計(jì)算而得出的結(jié)論?；谛阅艿目拐鹪O(shè)計(jì)其核心在于多級(jí)設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)的確立，以實(shí)現(xiàn)對(duì)不同地震作用下結(jié)構(gòu)破壞狀態(tài)的嚴(yán)格控制，而這一過程需要對(duì)地震設(shè)防水平進(jìn)行細(xì)致地劃分，并結(jié)合相關(guān)地震參數(shù)予以確定，但目前也僅限于地震加速度這一因素。現(xiàn)階段由于對(duì)地震研究的局限性，在建筑結(jié)構(gòu)性能抗震設(shè)計(jì)方面仍主要以地震烈度和地震加速度為依據(jù)，但科技的不斷進(jìn)步也加深了人們對(duì)地震速度、位移、持續(xù)時(shí)間以及頻率等的了解，并且逐漸分析出這些因素對(duì)建筑結(jié)構(gòu)安全性產(chǎn)生巨大影響。有鑒于此，在控制地震設(shè)防水平時(shí)應(yīng)綜合考慮多種參數(shù)對(duì)建筑結(jié)構(gòu)性能的影響，從而體現(xiàn)在設(shè)計(jì)過程中。

3.2 準(zhǔn)確劃分結(jié)構(gòu)性能抗震水平

通過對(duì)國(guó)際上最近幾十年重大地震災(zāi)害的分析，可以看出建筑物若只以生命安全為單一設(shè)防水準(zhǔn)，則只能實(shí)現(xiàn)防止倒塌這一需求，對(duì)于結(jié)構(gòu)破壞而造成的各種損失沒有足夠的重視。這就啟示建筑工程在基于性能抗震設(shè)計(jì)中既要保證生命安全，又要對(duì)建筑結(jié)構(gòu)的破壞程度加以控制，因此在實(shí)際設(shè)計(jì)中應(yīng)突出對(duì)不同設(shè)防水準(zhǔn)的地震制定明確的結(jié)構(gòu)性能要求?？紤]到建筑結(jié)構(gòu)的破壞狀態(tài)通常以其反應(yīng)參數(shù)或相關(guān)定義的破壞指標(biāo)來進(jìn)行確定，因此可綜合利用這些參數(shù)或指標(biāo)來劃分建筑結(jié)構(gòu)性能，而現(xiàn)階段較為方便實(shí)用的一種劃分方法是基于位移（變形）來對(duì)建筑結(jié)構(gòu)性能進(jìn)行劃分。

3.3 確定結(jié)構(gòu)反應(yīng)性能參數(shù)

在利用結(jié)構(gòu)變形來劃分建筑結(jié)構(gòu)性能的基礎(chǔ)上，必須要結(jié)合合理的結(jié)構(gòu)模型與恰當(dāng)?shù)姆治龇椒▉硗瓿墒芰Y(jié)構(gòu)分析。該分析既包括低水平地震作用下結(jié)構(gòu)的彈性分析，又包括強(qiáng)烈地震作用下的非線性受力分析。對(duì)于前者，通常采用較為成熟的彈性靜力或彈性動(dòng)力分析手段；對(duì)于后者，通常采用彈塑性時(shí)程分析或彈塑性靜力分析方法。更進(jìn)一步說，彈塑性時(shí)程分析方法不僅存在計(jì)算量大、分析過程復(fù)雜的缺點(diǎn)，在合理選擇地震功時(shí)程時(shí)也存在很大的難點(diǎn)，因此不便于廣泛應(yīng)用；而彈塑性靜力分析方法能夠很方便地對(duì)建筑結(jié)構(gòu)的層間位移、頂點(diǎn)位移以及某些構(gòu)件截面變形等指標(biāo)進(jìn)行確定，因此被廣泛應(yīng)用于國(guó)際社會(huì)。綜合來說，在建筑結(jié)構(gòu)基于性能抗震設(shè)計(jì)過程中，除以上分析手段外也會(huì)采用三維的彈塑性分析方法，對(duì)地基與結(jié)構(gòu)的相互作用、結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)、非結(jié)構(gòu)構(gòu)件對(duì)結(jié)構(gòu)的影響等一系列因素加以考慮，從而全面提升建筑結(jié)構(gòu)的抗震性能。

4 建筑結(jié)構(gòu)基于性能抗震設(shè)計(jì)的具體方法

在建筑結(jié)構(gòu)基于性能抗震設(shè)計(jì)方法上雖然還未形成統(tǒng)一的認(rèn)識(shí)，但主要思路體現(xiàn)在以下兩點(diǎn)：

4.1 基于傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)

具體過程為：先基于地震作用的強(qiáng)度進(jìn)行設(shè)計(jì)，然后通過變形驗(yàn)算進(jìn)行確定。該方法重在以量化的方式明確建筑結(jié)構(gòu)性能水平，并對(duì)多級(jí)別水平地震作用進(jìn)行全面考慮，在此基礎(chǔ)之上進(jìn)行結(jié)構(gòu)性能驗(yàn)算，尤其要注意初期投資以及未來可能遭受的地震損失等種種因素，對(duì)此可靈活運(yùn)用可靠度理論以及優(yōu)化思想來進(jìn)行確定。

4.2 基于位移的設(shè)計(jì)

該方法直接采用結(jié)構(gòu)位移作為結(jié)構(gòu)性能指標(biāo)，具體思路為：首先根據(jù)不同的性能要求來確定目標(biāo)位移，比如適用性或安全性，然后直接以目標(biāo)位移作為設(shè)計(jì)變量，充分利用設(shè)計(jì)位移譜確定位移時(shí)的結(jié)構(gòu)有效周期，從而分析得出結(jié)構(gòu)的有效剛度，即此位移對(duì)應(yīng)的割線剛度，再求出此時(shí)結(jié)構(gòu)的基底剪力并展開結(jié)構(gòu)分析，最后進(jìn)行具體的配筋設(shè)計(jì)。該方法的好處在于設(shè)計(jì)初期就能明確建筑結(jié)構(gòu)的性能水平，從而在實(shí)際施工時(shí)按部就班一次到位，避免重復(fù)性勞動(dòng)以增加成本，同時(shí)該方法是采用結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)最大位移來進(jìn)行變形設(shè)計(jì)，因此更符合實(shí)際情況，可以有效提升建筑物的抗震性能。

5 結(jié)語

基于性能的抗震設(shè)計(jì)是建筑工程未來主流的抗震設(shè)計(jì)思想，其結(jié)構(gòu)性能目標(biāo)由業(yè)主、使用者以及社會(huì)多方進(jìn)行選擇，比傳統(tǒng)的抗震設(shè)計(jì)方法更加精確和可預(yù)測(cè)，從而如期實(shí)現(xiàn)抗震目標(biāo)。