抗震設計方法綜述

抗震設計方法綜述抗震設計方法一：基于承載力設計方法基于承載力設計方法又可分為靜力法和反應譜法。靜力法產(chǎn)生于二十世紀初期，是最早的結(jié)構(gòu)抗震設計方法。上世紀初前后日本濃尾、美國舊金山和意大利Messina的幾次大地震中，人們注意到地震產(chǎn)生的水平慣性力對結(jié)構(gòu)的破壞作用，提出把地震作用看成作用在建筑物上的一個總水平力，該水平力取為建筑物總重量乘以一個地震系數(shù)。意大利都靈大學應用力學教授M.Panetti建議，1層建筑物取設計地震水平力為上部重量的1/10，2層和3層取上部重量的1/12。這是最早的將水平地震力定量化的建筑抗震設計方法。日本關(guān)東大地震后，1924年日本都市建筑規(guī)范"首次增設的抗震設計規(guī)定，取地震系數(shù)為0.1。1927年美國UBC規(guī)范第一版也采用靜力法，地震系數(shù)也是取0.1。用現(xiàn)在的結(jié)構(gòu)抗震知識來考察，靜力法沒有考慮結(jié)構(gòu)的動力效應，即認為結(jié)構(gòu)在地震作用下，隨地基作整體水平剛體移動，其運動加速度等于地面運動加速度，由此產(chǎn)生的水平慣性力，即建筑物重量與地震系數(shù)的乘積，并沿建筑高度均勻分布?？紤]到不同地區(qū)地震強度的差別，設計中取用的地面運動加速度按不同地震烈度分區(qū)給出。根據(jù)結(jié)構(gòu)動力學的觀點，地震作用下結(jié)構(gòu)的動力效應，即結(jié)構(gòu)上質(zhì)點的地震反應加速度不同于地面運動加速度，而是與結(jié)構(gòu)自振周期和阻尼比有關(guān)。采用動力學的方法可以求得不同周期單自由度彈性體系質(zhì)點的加速度反應。以地震加速度反應為豎坐標，以體系的自振周期為橫坐標，所得到的關(guān)系曲線稱為地震加速度反應譜，以此來計算地震作用引起的結(jié)構(gòu)上的水平慣性力更為合理，這即是反應譜法。對于多自由度體系，可以采用振型分解組合方法來確定地震作用。反應譜法的發(fā)展與地震地面運動的記錄直接相關(guān)。1923年，美國研制出第一臺強震地震地面運動記錄儀，并在隨后的幾十年間成功地記錄到許多強震記錄，其中包括1940年的ElCentro和1952年的Taft等多條著名的強震地面運動記錄。1943年M.A.Biot發(fā)表了以實際地震紀錄求得的加速度反應譜。二十世紀50到70年代，以美國的G.W.Housner、N.M.Newmark和R.W.Clough為代表的一批學者在此基礎(chǔ)上又進行了大量的研究工作。對結(jié)構(gòu)動力學和地震工程學的發(fā)展作出了重要貢獻，奠定了現(xiàn)代反應譜抗震設計理論的基礎(chǔ)。然而，靜力法和早期的反應譜法都是以慣性力的形式來反映地震作用，并按彈性方法來計算結(jié)構(gòu)地震作用效應。當遭遇超過設計烈度的地震作用，結(jié)構(gòu)進入彈塑性狀態(tài)，這種方法顯然無法應用。同時，在由靜力法向反應譜法過渡的過程中，人們發(fā)現(xiàn)短周期結(jié)構(gòu)加速度譜值比靜力法中的地震系數(shù)大1倍以上。這使得地震工程師無法解釋以前按靜力法設計的建筑物如何能夠經(jīng)受得住強烈地震作用。抗震設計方法二：基于承載力和構(gòu)造保證延性設計方法為解決由靜力法向反應譜法的過渡問題，以美國UBC規(guī)范為代表，通過地震力降低系數(shù)R將反應譜法得到的加速度反應值am降低到與靜力法水平地震相當?shù)脑O計地震加速度ad，ad=am/R地震力降低系數(shù)R對延性較差的結(jié)構(gòu)取值較小，對延性較好的結(jié)構(gòu)取值較高。盡管最初利用地震力降低系數(shù)R將加速度反應降下來只是經(jīng)驗性的，但人們已經(jīng)意識到應根據(jù)結(jié)構(gòu)的延性性質(zhì)不同來取不同的地震力降低系數(shù)。這是考慮結(jié)構(gòu)延性對結(jié)構(gòu)抗震能力貢獻的最早形式。然而對延性重要性的認識卻經(jīng)歷了一個長期的過程。在確定和研究地震力降低系數(shù)R的過程中，G.W.Housner和N.M.Newmark分別從兩個角度提出了各自的看法。G.W.Housner認為考慮地震力降低系數(shù)R的原因有：每一次地震中可能包括若干次大小不等的較大反應，較小的反應可能出現(xiàn)多次，而較大的地震反應可能只出現(xiàn)一次。此外，某些地震峰值反應的時間可能很短，震害表明這種脈沖式地震作用帶來的震害相對較小?；谶@一觀點，形成了現(xiàn)在考慮地震重現(xiàn)期的抗震設防目標。隨著研究的深入，N.M.Newmark認識到結(jié)構(gòu)的非彈性變形能力可使結(jié)構(gòu)在較小的屈服承載力的情況下經(jīng)受更大的地震作用。由于結(jié)構(gòu)進入非彈性狀態(tài)即意味著結(jié)構(gòu)的損傷和遭受一定程度的破壞，基于這一觀點，形成了現(xiàn)在的基于損傷的抗震設計方法，并促使人們對結(jié)構(gòu)的非彈性地震反應的研究。而進一步采用能量觀點對此進行研究的結(jié)果，則形成現(xiàn)在的基于能量的抗震設計方法。然而由于結(jié)構(gòu)非彈性地震反應分析的困難，因此只能根據(jù)震害經(jīng)驗采取必要的構(gòu)造措施來保證結(jié)構(gòu)自身的非彈性變形能力，以適應和滿足結(jié)構(gòu)非彈性地震反應的需求。而結(jié)構(gòu)的抗震設計方法仍采用小震下按彈性反應譜計算的地震力來確定結(jié)構(gòu)的承載力。與考慮地震重現(xiàn)期的抗震設防目標相結(jié)合，采用反應譜的基于承載力和構(gòu)造保證延性的設計方法成為目前各國抗震設計規(guī)范的主要方法。應該說這種設計方法是在對結(jié)構(gòu)非彈性地震反應尚無法準確預知情況下的一種以承載力設計為主方法?？拐鹪O計方法三：基于損傷和能量的設計方法在超過設防地震作用下，雖然非彈性變形對結(jié)構(gòu)抗震和防止結(jié)構(gòu)倒塌有著重要作用，但結(jié)構(gòu)自身將因此產(chǎn)生一定程度的損傷。而當非彈性變形超過結(jié)構(gòu)自身非彈性變形能力時，則會導致結(jié)構(gòu)的倒塌。因此，對結(jié)構(gòu)在地震作用下非彈性變形以及由此引起的結(jié)構(gòu)損傷就成為結(jié)構(gòu)抗震研究的一個重要方面，并由此形成基于結(jié)構(gòu)損傷的抗震設計方法。在該設計方法中，人們試圖引入反映結(jié)構(gòu)損傷程度的某種指標來作為設計指標。許多研究者根據(jù)地震作用下結(jié)構(gòu)損傷機理的理解，提出了多種不同的結(jié)構(gòu)損傷指標計算模型[3，4]。這些研究加深了人們對結(jié)構(gòu)抗震機理的認識深度，尤其是將能量耗散能力引入損傷指標的計算。但由于涉及結(jié)構(gòu)損傷機理較為復雜，如需要確定結(jié)構(gòu)非彈性變形以及累積滯回耗能等指標，同時結(jié)構(gòu)達到破壞極限狀態(tài)時的閾值與結(jié)構(gòu)自身設計參數(shù)關(guān)系的也有許多問題未得到很好的解決。從能量觀點來看，結(jié)構(gòu)能否抵御地震作用而不產(chǎn)生破壞，主要在于結(jié)構(gòu)能否以某種形式耗散地震輸入到結(jié)構(gòu)中的能量。地震作用對體系輸入的能量由彈性變形能EE、塑性變形能EP和滯回耗能EH三部分組成。地震結(jié)束后，質(zhì)點的速度為0，體系彈性變形恢復，故動能EK和彈性應變能EE等于零，地震對體系的輸入能量EEQ最終由體系的阻尼、體系的塑性變形和滯回耗能所耗散。因此，從能量觀點來看，只要結(jié)構(gòu)的阻尼耗能與體系的塑性變形耗能和滯回耗能能力大于地震輸入能量，結(jié)構(gòu)即可有效抵抗地震作用，不產(chǎn)生倒塌。由此形成了基于能量平衡的極限設計方法。基于能量平衡概念來理解結(jié)構(gòu)的抗震原理簡潔明了，但將其作為實用抗震設計方法仍有許多問題尚待解決，如地震輸入能量譜、體系耗能能力、阻尼耗能和塑性滯回耗能的分配，以及塑性滯回耗能體系內(nèi)的分布規(guī)律。盡管基于損傷和能量的抗震設計方法在理論上有其合理之處，但直接采用損傷和能量作為設計指標不易為一般工程設計人員所采用，因此一直未得到實際應用。但關(guān)于損傷和基于能量概念的研究對實用抗震設計方法中保證結(jié)構(gòu)抗震能力提供了理論依據(jù)和重要的指導作用。最近，作者基于能量概念提出了結(jié)構(gòu)非彈性變形的計算方法，為將能量概念引入結(jié)構(gòu)抗震設計方法中作了有益的嘗試。抗震設計方法四：能力設計方法二十世紀70年代后期，新西蘭的T.Paulay和R.Park提出了保證鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)具有足夠彈塑性變形能力的能力設計方法。該方法是基于對非彈性性能對結(jié)構(gòu)抗震能力貢獻的理解和超靜定結(jié)構(gòu)在地震作用下實現(xiàn)具有延性破壞機制的控制思想提出的，可有效保證和達到結(jié)構(gòu)抗震設防目標，同時又使設計做到經(jīng)濟合理。能力設計方法的核心是：(1)引導框架結(jié)構(gòu)或框架-剪力墻（核心筒）結(jié)構(gòu)在地震作用下形成梁鉸機構(gòu)，即控制塑性變形能力大的梁端先于柱出現(xiàn)塑性鉸，即所謂“強柱弱梁”；(2)避免構(gòu)件（梁、柱、墻）剪力較大的部位在梁端達到塑性變形能力極限之前發(fā)生非延性破壞，即控制脆性破壞形式的發(fā)生，即所謂“強剪弱彎”；(3)通過各類構(gòu)造措施保證將出現(xiàn)較大塑性變形的部位確實具有所需要的非彈性變形能力。到二十實際80年代，各國規(guī)范均在不同程度上采用了能力設計方法的思路。能力設計方法的關(guān)鍵在于將控制概念引入結(jié)構(gòu)抗震設計，有目的的引導結(jié)構(gòu)破壞機制，避免不合理的破壞形態(tài)。該方法不僅使得結(jié)構(gòu)抗震性能和能力更易于掌握，同時也使得抗震設計變得更為簡便明確，即后來在抗震概念設計中提出的主動抗震設計思想?？拐鹪O計方法五：基于性能/位移設計方法應該說通過多年的研究和實踐，人們基本掌握了結(jié)構(gòu)抗震設計方法，并到達原來所預定的抗震設防目標。然而九十年代發(fā)生在一些發(fā)達國家現(xiàn)代化大城市的地震，人員傷亡雖然很少，一些設備和裝修投資很高的建筑物雖然并沒有倒塌，但因結(jié)構(gòu)損傷過大，所造成的經(jīng)濟損失卻十分巨大。如1994年1月美國西海岸洛杉磯地區(qū)的地震，震級僅為6.7級，死亡57人，而由于建筑物損壞造成1.5萬人無家可歸，經(jīng)濟損失達170億美元。1995年1月日本阪神地震，7.2級，死亡6430人（大多是舊建筑物倒塌造成），但經(jīng)濟卻高達960億美元。因此在現(xiàn)代化充分發(fā)展的今天，研究人員意識到再單純強調(diào)結(jié)構(gòu)在地震下不嚴重破壞和不倒塌，已不是一種完善的抗震思想，不能適應現(xiàn)代工程結(jié)構(gòu)抗震需求。在這樣的背景下，美、日學者提出了基于性能（PerformanceBasedDesign，PBD）的抗震設計思想。基于性能設計的基本思想就是使所設計的工程結(jié)構(gòu)在使用期間滿足各種預定的性能目標要求，而具體性能要求可根據(jù)建筑物和結(jié)構(gòu)的重要性確定。應該說，基于性能抗震設計是比傳統(tǒng)單一抗震設防目標推廣了的新理念，或者說是它給了設計人員一定"自主選擇"抗震設防標準的空間。然而問題是對結(jié)構(gòu)性能狀態(tài)的具體描述和計算、以及設計標準目前尚未明確，因此可以說基于性能抗震設計目前僅停留概念階段。對于結(jié)構(gòu)工程師來說，可明確描述結(jié)構(gòu)性能狀態(tài)的物理量主要有：力、位移（剛度）、速度、加速度、能量和損傷。基于性能設計要求能夠給出結(jié)構(gòu)在不同強度地震作用下，這些結(jié)構(gòu)性能指標的反應值（需求值），以及結(jié)構(gòu)自身的能力值，尤其當結(jié)構(gòu)進入非彈性階段時。由于用力（承載力）作為單獨的指標難以全面描述結(jié)構(gòu)的非彈性性能及破損狀態(tài)，而用能量和損傷指標又難以實際應用，因此目前基于性能抗震設計方法的研究主要用位移指標對結(jié)構(gòu)的抗震性能進行控制，稱為基于位移抗震設計方法（DisplacementBasedDesign，DBD）。無論是基于性能還是基于位移，抗震設計的難點仍然是結(jié)構(gòu)進入非彈性階段