建筑结构基于性能抗震设计的几个问题

2018-01-25梅智凯

中国建材科技 2018年3期

梅智凯

（常德市城镇建筑规划设计有限公司，湖南常德 415003）

我国是地震多发国家，因此在建筑工程的设计施工中提高抗震性能就显得尤为重要，但当前的建筑结构抗震设计普遍遵循“小震不坏、中震可修、大震不倒”的随意性原则，没有考虑到建筑结构的变形验算、建筑结构的非线性和线性地震反应分析等重要过程。为了确保建筑物的抗震性能在面对不同等级的地震时能够尽可能地减少人员伤亡，就需要在建筑结构中基于性能进行抗震设计，以实现预期的抗震目标。

1 浅析建筑结构中基于性能的抗震设计理论

1.1 现行抗震设计理念存在的问题

首先，设计参数不合理。现行的抗震设计一般都基于强度或承载力进行考虑，但实际上强度或承载力并不是建筑物结构保证抗震能力的唯一因素；其次，缺乏明确的性能概念。在现行的设计规范中，业主过于考虑经济成本、设计人员过于追求单纯的重力承载，导致对于抗震性能的目标概念描述模糊不明，为后续的施工埋下安全隐患；再者，对于损失的考虑不全面。现行的抗震设计理念只注重主体结构损坏带来的损失，而忽视了非主体结构以及内部设施所带来的损坏；最后，规范标准刻板、设计方法欠缺。设计人员受传统设计规范标准的约束，缺乏主动性和创新性，在设计方法上过于保守，不利于新技术的应用。

1.2 基于性能的抗震设计理论

建筑结构中给予性能的抗震设计理论最早由美国专家于1992年提出，其内容包括：对建筑结构进行抗震计算分析，然后采取合理的构造措施确保建筑结构在满足不同的抗震设防等级要求下达到预期的抗震目标。这一理论的实施需要业主和设计人员共同参与，以业主和社会所能承受的地震损失为核心对不同的结构制定不同的抗震性能目标。在此过程中既要体现出结构抗震设计的“个性”，又要满足抗震规范中规定的最低性能目标以体现出“共性”，在此基础之上结合“投资—收益”准则对建筑结构进行优化设计。

2 非结构构件性能以及基于性能的抗震设计理论框架

2.1 非结构构件性能在抗震中的作用

对建筑结构抗震性能的评价必须建立在建筑构件抗震性能模型之上，通常将抗震性能模型划分为结构性和非结构性两种，但后者为主要研究对象。非结构构件性能在抗震设计分析阶段中的破坏和损失分析环节发挥着极其重要的作用，尤其在损失建筑的完成和修复、服务设备的构建、维修成本以及非致命损伤等内容上有突出贡献，因此将其作为评估建筑工程抗震性能可靠性的一个关键指标。在建筑工程的设计施工中，考虑非结构构件的性能有助于区分不同原件的受损程度，同时对预期经济和生命安全的设计方案进行计算，使得建筑工程在满足抗震需求的同时实现效益最大化。

2.2 建筑结构基于性能的抗震设计理论框架

建筑结构基于性能的抗震设计理论框架主要包括两个部分：第一，对结构抗震性能水准的划分。首先要确保在发生最大地震的情况下，使用者的生命安全得以保障；其次要确保在常规地震时，尽可能地减少使用者的财产损失，同时保证建筑物实现震后快速恢复；最后要确保在大震发生时将一切损失控制在业主可以接受的范围内。第二，确定合理的地震设防水准。需要考虑的内容包括：一个地区的设防投入、未来设计基准期内预期的经济损失以及人员伤亡水平、地震强度和相关参数等，同时结合自身的经济发展程度和抗震经验来确定设防水准。

3 建筑结构基于性能抗震设计的主要内容

基于性能的抗震设计其主要目的是为了在不同水平的地震作用下满足抗震性能的实际需求，而目前为止还没有形成统一的设计方法，但其主要内容可从这几方面进行考虑：

3.1 严格控制地震设防水平

我国对于地震设防的划分主要集中在“小震”、“中震”和“大震”三个层面上，这一原则是建立在全国范围内对地震烈度设防区划图的研究基础上，运用概率计算而得出的结论。基于性能的抗震设计其核心在于多级设防标准的确立，以实现对不同地震作用下结构破坏状态的严格控制，而这一过程需要对地震设防水平进行细致地划分，并结合相关地震参数予以确定，但目前也仅限于地震加速度这一因素。现阶段由于对地震研究的局限性，在建筑结构性能抗震设计方面仍主要以地震烈度和地震加速度为依据，但科技的不断进步也加深了人们对地震速度、位移、持续时间以及频率等的了解，并且逐渐分析出这些因素对建筑结构安全性产生巨大影响。有鉴于此，在控制地震设防水平时应综合考虑多种参数对建筑结构性能的影响，从而体现在设计过程中。

3.2 准确划分结构性能抗震水平

通过对国际上最近几十年重大地震灾害的分析，可以看出建筑物若只以生命安全为单一设防水准，则只能实现防止倒塌这一需求，对于结构破坏而造成的各种损失没有足够的重视。这就启示建筑工程在基于性能抗震设计中既要保证生命安全，又要对建筑结构的破坏程度加以控制，因此在实际设计中应突出对不同设防水准的地震制定明确的结构性能要求。考虑到建筑结构的破坏状态通常以其反应参数或相关定义的破坏指标来进行确定，因此可综合利用这些参数或指标来划分建筑结构性能，而现阶段较为方便实用的一种划分方法是基于位移（变形）来对建筑结构性能进行划分。

3.3 确定结构反应性能参数

在利用结构变形来划分建筑结构性能的基础上，必须要结合合理的结构模型与恰当的分析方法来完成受力结构分析。该分析既包括低水平地震作用下结构的弹性分析，又包括强烈地震作用下的非线性受力分析。对于前者，通常采用较为成熟的弹性静力或弹性动力分析手段；对于后者，通常采用弹塑性时程分析或弹塑性静力分析方法。更进一步说，弹塑性时程分析方法不仅存在计算量大、分析过程复杂的缺点，在合理选择地震功时程时也存在很大的难点，因此不便于广泛应用；而弹塑性静力分析方法能够很方便地对建筑结构的层间位移、顶点位移以及某些构件截面变形等指标进行确定，因此被广泛应用于国际社会。综合来说，在建筑结构基于性能抗震设计过程中，除以上分析手段外也会采用三维的弹塑性分析方法，对地基与结构的相互作用、结构扭转、非结构构件对结构的影响等一系列因素加以考虑，从而全面提升建筑结构的抗震性能。

4 建筑结构基于性能抗震设计的具体方法

在建筑结构基于性能抗震设计方法上虽然还未形成统一的认识，但主要思路体现在以下两点：

4.1 基于传统的设计

具体过程为：先基于地震作用的强度进行设计，然后通过变形验算进行确定。该方法重在以量化的方式明确建筑结构性能水平，并对多级别水平地震作用进行全面考虑，在此基础之上进行结构性能验算，尤其要注意初期投资以及未来可能遭受的地震损失等种种因素，对此可灵活运用可靠度理论以及优化思想来进行确定。

4.2 基于位移的设计

该方法直接采用结构位移作为结构性能指标，具体思路为：首先根据不同的性能要求来确定目标位移，比如适用性或安全性，然后直接以目标位移作为设计变量，充分利用设计位移谱确定位移时的结构有效周期，从而分析得出结构的有效刚度，即此位移对应的割线刚度，再求出此时结构的基底剪力并展开结构分析，最后进行具体的配筋设计。该方法的好处在于设计初期就能明确建筑结构的性能水平，从而在实际施工时按部就班一次到位，避免重复性劳动以增加成本，同时该方法是采用结构对应最大位移来进行变形设计，因此更符合实际情况，可以有效提升建筑物的抗震性能。