基于性能的钢结构抗震设计方法探讨及其改进分析

罗晓波

（内蒙古鸿德文理学院，内蒙古自治区 呼和浩特 014010）

地震是一种突发性强、破坏性强、难以预测的自然灾害，并且地震释放的能量会造成山体崩塌、泥石流、海啸等次生灾害，给人民的生命和财产带来巨大威胁。近半个世纪以来，国内的小级别地震时有发生，造成的危害较小，但如唐山大地震、汶川地震、玉树地震造成了巨大的人员和财产损失。2023年12月19日，甘肃积石山县发生6.2 级地震，导致房屋严重损坏，百姓无家可归。面对地震，人们感到无能为力，但是可以探索具有抗震性能的建筑物，提高建筑物的防震等级，最大限度保证人们的生命财产安全。20 世纪90年代，美国就兴起了基于性能的抗震设计思想，并应用到实践当中。钢结构作为常见的建筑物，一直在积极探索既能够保证生命安全，又最大限度降低经济损失的抗震设计方法。

1 提高建筑物抗震性能的重要性

1.1 保护人民群众生命及财产的安全

随着社会发展，建筑物也在不断发展，不仅打造满足人们生产生活所需的建筑物，而且打造具有特色的建筑物，让其成为城市中一道靓丽的风景。国家为保证建筑物的质量，出台各种标准，明确对建筑物抗震性能提出了要求，这主要因为建筑物是人们学习、工作、生活的重要场所，一旦发生地震灾害，建筑物可成为避难场所，若房倒屋塌，将会造成更大的损失。据相关数据显示，中国有5 大地震区和23 条地震带，是世界上大陆强震最多的国家。自1900年以来，中国境内6 级以上的地震超过800 次，只有贵州、浙江两省和香港特别行政区未有相关记录，其他各省均遭受过6 级以上的地震。在2023年，全国2 级以上的地震达608 次，遍布101 个行政区，其中河北、四川、云南、甘肃、青海五省发生的次数较多，发生频率最多的是四川和甘肃，超过20 次，级数最高的是甘肃积石山地震，达到6.2 级。我国的地震类型较多，并且发生频率比较高，6 级以上的地震造成的危害较大。为了保证人民的生命和财产安全，迫切需要提高建筑物的抗震能力。

1.2 建筑企业发展的要求

建筑物品体积较大，使用年限较长，并且是人们居住和生活的场所，因此国家对建筑质量作出了明确的规定。作为建筑企业，面对频发的地震事件，国家对抗震标准的规定，人们对建筑物抗震性能的要求，促使企业重视建筑物的抗震性能，并且抗震性已经成为建筑物在市场发展中的主流。也就是说，在未来的市场中，建筑企业想要在激烈的市场竞争中站稳脚跟，就要不断提高建筑物的质量，提高建筑物的性能，尤其对于地震发生较为频繁的场所，抗震性能更是评价建筑物质量的重要指标。同时，建筑物品关乎人们的日常生活，一旦发生地震灾害，抗震等级低的建筑物，将加剧地震灾害，而抗震等级高的建筑物，将会为人们的生命安全提供保障。因此，建筑企业要承担更多的社会责任，不断提高建筑物的抗震能力。

2 钢结构的抗震优势

国内的工程建设主要有砌体结构、钢筋混凝土结构、钢结构等，从国内各地地震灾害造成的危害来看，倒塌的主要是泥土、砖石等结构的建筑物，这主要是泥土、混凝土、砌体属于刚性连接，各部分连接较弱，导致建筑物的延展性较低，并且由于建筑物自身比重较大，在地震的拉伸下，很容易被拉伸变形，失去支撑，最后倒塌，进而造成人员伤亡和财产损失。钢结构同其他结构的建筑物相比，其在抗震上具有明显的优势：一是钢结构的重量相对较轻，一旦发生地震，依然能够保持建筑物的稳定性，不易塌落；二是钢结构具有较强的可塑性，一旦发生地震，钢结构可通过变形来吸收地震能量，进一步降低地震造成的危害；三是钢结构虽然构件尺寸精度较高，但是在新技术的推动下，很容易控制制作和施工过程，进而保证建筑物的精度和安全性。从实践角度来看，钢结构建筑物不仅在市场上具有竞争优势，而且在强大的地震灾害面前，具有较强的抗震性能，能够保证建筑物的稳定性和整体安全性，最大限度地降低自然灾害造成的危害，保证人民生命和财产安全。

3 基于性能的抗震设计理论及特点

3.1 基于性能的抗震设计理论

基于性能的抗震设计标准，主要从如下三个方面展开：一是地震作用的水准。从实践角度来看，地震的发生频率与地震的强度呈反向关系，也就是强度大的地震发生的频率低，强度小的地震发生频率高。现阶段，国内的地震主要被分为三个等级，分别是多遇地震、设防地震和罕遇地震，也就是小震、中震和大震，发生的概率分别为63.5%，10%和2.5%。在20世纪50年代到70年代，中国抗震设计采用单一的设防目标，只需要结构和构件满足强度即可。通过改进，实施三个等级的设防目标，让建筑物的抗震目标更加精准，能够确保地震安全，减轻在发生地震之后而造成的人员伤亡。二是结构性能水准及量化指标。在发生地震之后，建筑物的性能就体现出来，在评价建筑物的性能标准时，不仅关注建筑物结构的破坏程度，还考虑建筑物内物品、设施的破坏程度。在《建筑抗震设计规范》中，将建筑物的破坏程度分为五个等级，其中第一等级是结构功能完整，无需修整就能够入住，随着等级的提升，破坏程度加大；第五等级是结构发生倒塌，已经丧失其原有功能，需要拆除重建。三是抗震性能目标的确定。抗震性能的目标不能仅从建筑结构出发，还要考虑投资与效益、震后的经济损失和人员伤亡，潜在的文化历史价值等多方面的内容。

3.2 基于性能的抗震设计特点

随着建筑物的发展，建筑物设计理论也不断推进，1992年，美国J P Moehle 先生率先提出了基于性能的抗震设计理论，并将其应用到桥梁设计领域。中国的学者和专家充分汲取Moehle 的观点，并结合实际情况，不断完善适合我国的抗震设计体系。现阶段，国内基于性能抗震设计理论的特点主要表现在如下几个方面：一是采用多级设防目标。为保护人民的生命财产安全，降低社会经济损失，减少社会承受的压力，提出了抗震设防标准，即“小震不坏，中震可修，大震不倒”。二是引入投资和效益准则。根据基于性能抗震设计理论的内容，在建筑物的结构上从重视安全逐渐向重视结构的功能、安全、经济等方面内容出发，也就是平衡建筑物的可靠性和经济之间的关系，进而来确定最佳的抗震设计方案。三是具有更大的自由度。原有的抗震设计需要按部就班，结构人员无法自行根据建筑物的实际情况进行调整，缺乏灵活性，比较被动。基于性能的抗震设计，一方面满足了共性的要求外，还可以进行个性化设计。甲方与设计人员进行沟通，设计人员根据甲方的用途、特殊要求来确定机构性能目标，选择合适的设计方法，这样，既达到了构造性能的要求，也充分调动设计人员的积极性，更有利于新材料、新技术的使用和开发。

4 基于性能的抗震设计方法

4.1 基于位移的设计方法

基于位移的抗震设计主要有如下三种方法：一是按延性系数设计的方法。此种方法就是建立构件的位移延性系数，保证其能够达到最大的极限压，进而让构件达到延性要求。

二是能力谱方法。此种方法最早出现于1975年，由Freeman 率先提出。此种设计方法是将能力谱曲线和地震反应谱转化而来的需求谱，对其进行比较、分析、评估，进而得出其抗震性能。能力谱方法主要是从结构的实际性能方面出发，对其进行验算、评估。此外，此种方法主要适用于平面结构，或者是分布较为均匀的结构当中，若应用到比较复杂的建筑结构设计当中，其所产生的误差会偏大，不仅影响计算结果，而且也对工程的实际建设质量产生一定的影响，导致建筑物的抗震性能不佳。

三是直接基于位移的方法。此种方法主要是在一定水准的地震下来判断位移发生的情况。通过进行结构设计，这样不仅能够让钢结构的构件达到预期变形的效果，而且也能够在预期的位移范围之内，进而让钢结构的构件达到理想的抗震效果。

4.2 能量设计法

能量设计法是从地震对结构物及内部设施破坏的角度出发，指出其主要是由输入的能量与结构物所消耗的能量共同决定的。依据此种方法进行设计，能够预估钢结构建筑物被破坏的程度，但最大的缺点是存在太多不确定因素，应用起来比较繁琐。

4.3 综合设计法

综合设计法是让在投资最少的情况下让建筑物达到基本性能目标。也就是说，综合设计法不仅需要考虑抗震的诸多因素，体现了建筑结构抗震的设计理念，让其能够有效地抗击不同等级的地震，最大限度降低地震所造成的损失。同时，还要尽量降低工程建设所消耗的资金。综合考虑建筑物的抗震性能和投入的资金，既能够保证建筑物的质量，也能够降低成本，提高经济效益。此种方法虽然兼顾了抗震和利益两方面的内容，但是需要考虑的因素甚多，并且涉及的范围比较广，导致整个设计过程非常繁琐，需要反复论证，在设计上就耗费较长时间。

5 钢结构基于性能的抗震设计

随着社会的发展，中国在基于性能的抗震设计研究上已经取得了较好的发展成果，但由于人们认识的局限性，实践环境的复杂性，还无法完全依靠计算来保证建筑结构的安全性和稳定性。因此，在基于性能的抗震设计上，还要从结构概念设计和细节构造设计等方面出发，充分考虑建筑主体和内部结构的承载能力。通过上文论述，结合工作实践，笔者基于性能的抗震设计理念对钢结构建筑进行改进设计。

一是将钢结构目标性能划分多个水准，不仅明确各个指标，而且还要进行量化。同时，还要考虑结构的投资，以及未来可能遭受的地震及造成的损失，结合理论知识将其确定下来。

二是加强概念设计，从宏观角度对整个钢结构进行控制设计，也就是说，在设计的过程中要将整个结构看成一个整体，选择合适的结构体系，以此来保证结构和构件的延展性。

三是从变形指标角度出发，综合评价钢结构的抗震性能，评价控制结构构件的损伤程度，以及非结构构件的性能水平。通过这些内容和指标来判断在不同的地震等级下，可能遭受的地震损失，进而进行设计，并且保证钢结构在使用周期的过程中投入的费用最少。通过合理设计，让整个结构具有定性、定量、简洁方便的特点，不仅缩短了设计周期，而且也合理优化各项指标，提高了钢结构的控制和协调能力。

6 结论

随着建筑企业的发展，人们的认知和技术能力及建筑物的设计方法也在不断革新。基于性能的抗震设计方法是建筑体系中设计理念的变革，其以性能为导向来设计建筑结构，对工程结构的设计和发展具有重大意义。同传统的抗震设计方法相比，基于性能的抗震设计方法能够充分发挥设计者的主观能动性，并且让建筑结构更加精准、灵活、可靠。现阶段，基于性能的抗震设计方法虽然在具体应用中还存在不足，但是其也具有无可比拟的优越性，促使其成为建筑行业在实践领域的重要设计方法。未来，随着研究的深入和技术的不断完善，基于性能的抗震设计理论将会在建筑领域发挥其最大优势，引领和推动建筑行业的发展。