钢框架结构基于损伤指标的抗震设计方法研究

张晓雷

（江西理工大学 建筑与测绘工程学院， 江西 赣州 341000）

0 引言

在我国近年来钢结构建筑作为一种新型绿色建筑结构迅速崛起，钢框架的抗震设计也成为研究的热点问题。在实际工程中，钢框架结构大多依据设计人员经验完成，往往会造成巨大的浪费。本文基于能较好反应地震破坏作用的损伤指标进行抗震设计，为钢框架结构的抗震设计提供一种新的可行的设计方法。

1 钢框架结构抗震设计方法综述

1.1 基于承载力抗震设计方法

在工程早期最常用的抗震设计方法就是基于承载力的设计。静力法简单的将结构刚接于地面以等效的静力进行地震响应分析。但随着结构抗震领域的研究完善，静力法被考虑因素更加完善的反应谱法所取代。反应谱法在线性体系的抗震设计中被广泛应用，但当结构可能进入弹塑性状态时，其局限性便暴露了出来。

1.2 基于位移的抗震设计方法

基于位移的抗震设计方法（DBSD）是第二阶段学者提出的设计方法，此时设计指标选为量化的位移[1]。其与传统的基于承载力方法相比从整体上控制位移和层间位移角等量，从位移到承载力的计算，强度、刚度和配筋等指标反而是设计结果，初步体现了近年来基于性能抗震设计方法的思想。

1.3 基于损伤的抗震设计方法

基于损伤性能的抗震设计方法是近年来国内外学者研究的热点[2]。与前述基于承载力和基于位移的设计方法相比，损伤指标的建立能更贴切的反应出建筑物在地震作用下的累积能量破坏。由于近年来研究主要集中在混凝土结构，欧进萍等人根据 Park & Ang 提出的双参数损伤模型，系统地研究了钢框架结构地震损伤理论，引起了广泛的关注。

2 结构基于损伤指标抗震方法研究

2.1 基于损伤指标设计的创新点

基于损伤的抗震设计体现和创新了近年来提出的基于性能抗震设计(PBSD)理念。本文利用“规范设计+损伤验算”深入研究了钢框架结构基于损伤指标的抗震设计方法，在规定钢结构损伤性能目标时，开创性考虑了余震作用的影响。其次，研究了Park&Ang提出的综合考虑变形和累积损伤的双参数模型和欧进萍提出的钢结构双参数损伤模型，提出其简化的计算方法，本文基于损伤性能的抗震设计方法是为了避免工程设计中盲目增大用钢量来提高抗震性能所造成的浪费问题。

2.2 考虑余震的损伤性能目标的建立

历次发生地震破坏后，余震总是紧随其后。余震具有较大的强度，并且非常的频繁，首次地震之后，余震会进一步加剧震害，经常使未破坏的建筑倒塌。历次地震中，很多严重的损失是首次地震后的频繁余震造成的。当前的实际工程抗震设计常常仅根据地震记录考虑单震的烈度，但由于地震作用时涉及到累积损伤对结构的损耗，在结构抗震设计时仅考虑主震作用是不合理和不完整的。结构在强余震作用时，往往已经有了初次作用后的损伤，其破坏的分析方式与完好建筑是不同的。因此结构在经历初次的地震作用后，强余震很容易对结构破坏进行加深。近几十年来越来越多学者建议在分析结构抗震性能以及进行抗震设计时必须全面考虑强余震的影响。本文提出的考虑余震和震害损伤的性能目标对照如表1所示。

表1 钢框架结构考虑余震的抗震性能目标

2.3 钢结构损伤指标的简化计算

早期在建立损伤模型时往往仅考虑单一的参数，虽然形式简单易懂，但不能同时准确反应结构在地震作用下的初次变形和累积损伤。 1985 年， Park 等人进行了大量梁柱破坏试验，提出了双参数损伤模型，可以综合考虑地震初次破坏和结构在余震作用下的累积损伤，Park & Ang 双参数损伤模型由于同时考虑了两个参数，得到了国内外广大学者的认可。Park & Ang 双参数损伤模型最初是在钢筋混凝土结构实验中总结提出的，国内欧进萍等对钢结构也进行了研究总结[3]，本文列出了简化的钢结构损伤指标计算公式，如式（1）所示：

3 展望及建议

总之，基于性能的抗震思想在实际工程抗震设计中的应用是抗震设计方法的创新，因此本文对钢框架结构损伤性能的定义和研究就显得非常有意义。一方面我们要加强实验室模拟地震作用对钢结构的初次破坏和累积损伤的仿真研究，另一方面要想办法将基于损伤性能的抗震设计运用到实际工程设计中，寻找钢结构设计中经济和结构的安全可靠之间的平衡。