結(jié)構(gòu)抗震性能評估方法研究現(xiàn)狀與發(fā)展方向 - 建筑工程

結(jié)構(gòu)抗震性能評估方法研究現(xiàn)狀與發(fā)展方向-建筑工程一、引言地震是具有突發(fā)性和消滅性的自然災(zāi)害，是我國的主要自然災(zāi)害之一。我國有一半以上的地區(qū)都曾經(jīng)不同程度的遭受過地震災(zāi)害。地震引發(fā)的房屋倒塌和建筑物使用功能的丟失會導(dǎo)致重大人員傷亡和財產(chǎn)損失。與其它類型荷載相比，地震荷載具有發(fā)生頻率低、強度大、隨機性強的特點，導(dǎo)致在一定的設(shè)計基準(zhǔn)期內(nèi)，在有限的社會經(jīng)濟條件下，不可能使結(jié)構(gòu)在強烈地震荷載作用下，完全不發(fā)生破壞。針對這一特點，國內(nèi)外普遍采用“小震不壞、中震可修、大震不倒〞的三級設(shè)防準(zhǔn)那么，目的是使結(jié)構(gòu)在設(shè)計基準(zhǔn)期內(nèi)遭受低于本地區(qū)設(shè)防烈度的多遇地震時不發(fā)生破壞或無需修理仍可繼續(xù)使用；當(dāng)遭受本地區(qū)設(shè)防地震作用時，可能損壞，但經(jīng)過修理仍可繼續(xù)使用；當(dāng)遭受高于本地區(qū)設(shè)防烈度的罕遇地震作用時，結(jié)構(gòu)不致倒塌或發(fā)生危及生命的嚴(yán)重破壞。這一原那么同樣適用于已建結(jié)構(gòu)的平安評定，已被世界各國的標(biāo)準(zhǔn)所廣泛采用。然而，近十年來發(fā)生的屢次大的地震災(zāi)害所導(dǎo)致的嚴(yán)重損失使得越來越多的項目人員和研究學(xué)者認(rèn)識到以往的三級設(shè)防準(zhǔn)那么實際上是以保證人的生命平安為主要目標(biāo)的抗震設(shè)防準(zhǔn)那么，據(jù)此設(shè)計的建筑物結(jié)構(gòu)在罕遇地震作用下可以實現(xiàn)防止倒塌而不危及人的生命平安的目標(biāo)，但地震災(zāi)害所造成的經(jīng)濟損失和社會影響可能會遠遠超過社會和業(yè)主所能承受的極限。隨著現(xiàn)代社會的急速開展，科技的日新月異，世界城市化進程的加快和城市功能越來越趨向于集成化、智能化和密集化，意味著地震災(zāi)害所造成的經(jīng)濟損失將會越來越嚴(yán)重，使得社會和業(yè)主對建筑結(jié)構(gòu)抗震性能提出更高的要求：建筑結(jié)構(gòu)在罕遇地震作用下不僅能夠抵御倒塌，而且還能夠保證震后建筑使用功能的延續(xù)并盡可能的減少經(jīng)濟損失。因此，為實現(xiàn)“使結(jié)構(gòu)在未來地震中的抗震性能合乎人們預(yù)先設(shè)定目標(biāo)〞的新型抗震理念既基于性能的抗震設(shè)計思想應(yīng)運而生。

基于性能的抗震設(shè)計的目的，是在不同地震設(shè)防水準(zhǔn)下有效控制結(jié)構(gòu)破壞狀態(tài)并實現(xiàn)多層次性能水平，盡可能減小建筑物在全壽命期內(nèi)的總體建造及運行費用。目前基于性能的抗震設(shè)計的研究主要包括抗震設(shè)防水準(zhǔn)確實定、結(jié)構(gòu)性能水平及其量化指標(biāo)、結(jié)構(gòu)性能目標(biāo)的選擇以及基于性能的抗震設(shè)計辦法等。

性能設(shè)計的首要任務(wù)是確定結(jié)構(gòu)的破壞準(zhǔn)那么，這不僅要求選擇適宜的參數(shù)指標(biāo)來對結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的抗震性能進行描述，還要對這些參數(shù)進行量化。對此，各國專家學(xué)者結(jié)合試驗和項目經(jīng)驗進行了深入研究并給出了各種的準(zhǔn)那么。建立地震損傷準(zhǔn)那么后，就需要有與之相對應(yīng)的抗震性能評估辦法。每一種損傷準(zhǔn)那么在建立時候的出發(fā)點是不同的，這也就決定了評估辦法上也不可能做到完全一樣，每一種辦法都有其獨特性。

二、研究現(xiàn)狀

基于位移的結(jié)構(gòu)抗震性能評估辦法

基于位移的抗震設(shè)計辦法主要是用位移指標(biāo)來控制建筑物的抗震性能，在設(shè)計時進行定量分析，使結(jié)構(gòu)的塑性變形能力能夠滿足未來地震作用下的變形需求。與傳統(tǒng)辦法相比擬，兩者最主要的區(qū)別是后者由承載力計算位移，而前者那么基于位移的設(shè)計辦法由位移來計算承載力【1】。

Newmark和Hall【2】最早在1969年提出：無論結(jié)構(gòu)處于彈性或者是非彈性狀態(tài)，其頂點位移與地面運動位移相等，即等位移原那么。在Newmark的研究根底上，各國學(xué)者開始利用非線性反饋譜進行結(jié)構(gòu)設(shè)計。將位移作為設(shè)計控制指標(biāo)同時也誕生了各種各樣的非線性反饋譜。Pal等人【3】較早的在塑性反饋譜方面進行研究，并從塑性反饋譜中發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的設(shè)計地震荷載根據(jù)結(jié)構(gòu)周期和延性需求的不同可以進行不同程度的折減。童根樹等【4】對塑形屈服強度需求系數(shù)譜進行研究并得到了屈服強度需求系數(shù)與周期及延性系數(shù)的關(guān)系。Aschheim等人【5】分析了P-delta效應(yīng)對屈服點譜的影響。

在大量非線性反饋譜研究的根底上，研究人員從各自不同角度提出了多種多樣的位移設(shè)計辦法。Tjhin等人【6】提出了RC剪力墻結(jié)構(gòu)基于屈服位移的抗震設(shè)計辦法。該辦法建立在屈服時對屋頂位移估計的根底上，所需的基底剪力由等效單自由度體系的屈服點反饋譜來確定。Goel等人【7】采用塑性設(shè)計譜來代替彈性設(shè)計譜，提出了改良的直接基于位移的性能抗震設(shè)計辦法，較好的解決了按照后者設(shè)計的結(jié)構(gòu)位移和延性需求被低估的問題。Panagiotakos等人[8]研究了多層鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)的塑性變形需求估計辦法，通過上千次的非線性動力分析確定了估計多層框架最大塑性層間位移和構(gòu)件轉(zhuǎn)角的原那么。梁興文等人[9]利用等截面懸臂柱的側(cè)移曲線作為結(jié)構(gòu)的初始側(cè)移模式，并根據(jù)性能水平確定結(jié)構(gòu)的目標(biāo)位移，在此根底上提出了RC框架結(jié)構(gòu)基于位移的抗震設(shè)計辦法。

上述研究均停留在整體結(jié)構(gòu)的層面，重

點考慮的是如何實現(xiàn)這種設(shè)計辦法。隨后，許多研究人員意識到單純的結(jié)構(gòu)層次研究還不能做到完全保證構(gòu)件在地震作用下到達預(yù)期目標(biāo)，因此他們從梁、柱等根本構(gòu)件入手，著力解決構(gòu)件的變形設(shè)計辦法。錢稼茹、徐福江等人[10]首先建立了鋼筋混凝土柱的屈服位移角和極限位移角計算公式，并依據(jù)實驗提出了鋼筋混凝土柱基于位移的變形能力設(shè)計方法；隨后又研究了RC梁的屈服位移角與受拉鋼筋屈服強度和截面高度的關(guān)系及極限位移角與配箍特征值、剪跨比和相對受壓區(qū)高度的關(guān)系，并提出了鋼筋混凝土梁基于位移的能力設(shè)計辦法[11]。張國軍等人[12]依據(jù)高強混凝土框架柱的試驗結(jié)果，分析了試驗柱的屈服位移角、極限位移角及延性與各種構(gòu)件性能參數(shù)之間的關(guān)系，建立了配箍特征值與軸壓比以及極限位移角間的關(guān)系，提出了配箍特征值的計算公式。

綜上所述，將位移作為設(shè)計目標(biāo)合乎人們對建筑物結(jié)構(gòu)通過變形來耗散地震能量的一般認(rèn)識，且參數(shù)本身簡單明確，容易應(yīng)用到實際的結(jié)構(gòu)設(shè)計中去。但隨著項目技術(shù)人員和研究學(xué)者對結(jié)構(gòu)抗震的深入認(rèn)識，位移指標(biāo)能否作為衡量結(jié)構(gòu)抗震性能的依據(jù)受到了很多質(zhì)疑，能量及損傷指數(shù)等考慮累積耗能的指標(biāo)那么越來越受到人們的重視。

基于能量的結(jié)構(gòu)抗震性能評估辦法

與位移設(shè)計辦法一樣，能量設(shè)計辦法的研究也是從能量反饋譜入手。由于結(jié)構(gòu)的破壞主要體現(xiàn)在滯回耗能，因此需要重點關(guān)注的是能量輸入譜和滯回耗能譜兩方面內(nèi)容。

江輝等人[13]選取距離斷層15km范圍內(nèi)的224條強震記錄進行分析，提出了橋梁結(jié)構(gòu)基于能量的抗震評估設(shè)計辦法，并用算例證明了這一辦法的可行性。Benavent等人[14]根據(jù)哥倫比亞地震記錄研究了中高烈度區(qū)的設(shè)計能量輸入譜，發(fā)現(xiàn)在短周期范圍由于結(jié)構(gòu)塑性發(fā)展，輸入能量隨周期逐漸增大。劉哲鋒等人[15]在研究中發(fā)現(xiàn)輸入能量譜對阻尼比的敏感度較小，而地震波峰值速度與峰值加速度的比值以及強震持時對譜形的影響較大，在此根底上提出了線性SDOF體系輸入能量譜的簡化計算辦法。

在研究能量輸入譜的同時，滯回耗能譜的研究也在有條不紊的展開。盛明強等人[42]按照場地類別和強震持時，將幾百條地震記錄進行分組，進行單自由度體系的彈塑性時程分析，研究了考慮場地類別與強震持時滯回耗能譜的特征并建立了簡化滯回耗能譜的計算公式。滕軍等人[16]根據(jù)反饋譜計算理論得到了SDOF體系的輸入能量譜、滯回耗能譜、動能譜以及阻尼耗能譜的計算公式，在此根底上提出了描述輸入能量譜的曲線方程，回歸得到了簡化計算公式。

之后相關(guān)研究結(jié)果說明，結(jié)構(gòu)的最大位移反饋取決于瞬時輸入的能量?？蒲腥藛T依據(jù)這一觀點提出了新的抗震設(shè)計思路。胡冗冗等人[17]分析了體系瞬時輸入能量最大值與結(jié)構(gòu)最大位移反饋之間的對應(yīng)關(guān)系，發(fā)現(xiàn)這種對應(yīng)關(guān)系受滯回環(huán)數(shù)量及偏移的影響，認(rèn)為瞬時輸入能量對結(jié)構(gòu)最大位移反饋起決定性作用。梁軍等人[18]從地震動的選取以及結(jié)構(gòu)的耗能能力估計方面對能量法的研究狀況進行總結(jié)，分析認(rèn)為瞬時輸入能量反抗震設(shè)計具有重要的意義。王常峰等人[19]那么在分析雙線性系統(tǒng)最大瞬時輸入能量對應(yīng)位移與結(jié)構(gòu)最大位移之間的關(guān)系得根底上，深入研究了等價速度譜及其變化規(guī)律，并對如何根據(jù)瞬時輸入能量評價結(jié)構(gòu)最大位移的問題進行了探討。

能量反饋譜的建立為能量設(shè)計辦法的提出奠定了根底，科研人員在這一領(lǐng)域也發(fā)展了大量的研究工作。Ghosh等人[20]將能量設(shè)計準(zhǔn)那么與可靠度設(shè)計辦法相結(jié)合，提出了基于可靠度并考慮地震現(xiàn)象、等效單自由度辦法、場地、土層等因素隨機性的能量設(shè)計辦法。Decanini等人[21]在建立給定位移延性系數(shù)下的塑性設(shè)計輸入能量譜的根底上給出了不同場地土類型和目標(biāo)延性下的滯回耗能與輸入能量的比譜，并提出了基于能量的地震需求評估辦法。

基于損傷的結(jié)構(gòu)抗震性能評估辦法

根據(jù)損傷力學(xué)，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)破壞主要原因有兩個：一是結(jié)構(gòu)的變形或內(nèi)力超出了承受范圍；二是當(dāng)結(jié)構(gòu)的變形或內(nèi)力較小，未到達極限值時，持續(xù)不斷的疲勞累積造成破壞。因此，地震作用下結(jié)構(gòu)的破壞不僅與最大變形有關(guān)，還與地震作用過程中滯回耗能的累積程度有關(guān)。地震時很多結(jié)構(gòu)并未在主震時坍塌，而是在隨后的余震作用下被摧毀，其主要原因就是因為累積耗能的作用?；谶@種考慮，國內(nèi)外學(xué)者建立了多種波及變形和能量的雙參數(shù)指標(biāo)，而研究的對象也由鋼結(jié)構(gòu)逐步向鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)移。

Shen等人[22]提出了鋼框架地震作用下的累積損傷模型，分析主余震作用下鋼框架的彈塑性反饋，并通過振動臺試驗進行了驗證。Perera等人[23]在考慮循環(huán)變形的最大幅值得同時考慮了循環(huán)的

圈數(shù)，據(jù)此建立了鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的疲勞損傷模型。隨后，有學(xué)者從反饋譜的角度對結(jié)構(gòu)損傷進行分析研究。Das等人[24]提出了基于損傷的抗震設(shè)計辦法并在考慮三種不同的地震模型的根底上建立了設(shè)計力比值譜。Kunnath等人[25]首先提出了估計塑性圈數(shù)需求譜的簡化辦法，然后利用地震輸入能和耗散滯回耗能之間的關(guān)系建立了塑性圈數(shù)需求譜。

再后來，研究人員逐漸提出了考慮結(jié)構(gòu)損傷的假設(shè)干評估辦法。李宏男等人[26]由推覆分析得到的結(jié)構(gòu)力—變形曲線計算結(jié)構(gòu)的損傷指數(shù)，并與能力譜辦法相結(jié)合建立了一種新的損傷評估辦法。侯鋼領(lǐng)等人[27]首先建立反映不同設(shè)防水準(zhǔn)損傷目標(biāo)的地震損傷答應(yīng)延性系數(shù)，而后應(yīng)用Chopra能力譜法來確定損傷延性系數(shù)，在此根底上提出了評價結(jié)構(gòu)抗震性能的辦法。王豐等人[28]推導(dǎo)了層間最大變形與滯回耗能之間的關(guān)系，將最單薄樓層的損傷作為控制目標(biāo)進行設(shè)計從而實現(xiàn)了多水準(zhǔn)設(shè)計思想。

三、結(jié)語與展望

基于性能的抗震設(shè)計理論自二十世紀(jì)九十年代提出以來，引起國內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注并得到快速開展。本文參考國內(nèi)外文獻，對結(jié)構(gòu)抗震性能評估辦法的研究現(xiàn)狀進行了系統(tǒng)總結(jié),并對今后的研究提出展望。今后的研究應(yīng)主要集中于下列幾個方面：

(1)目前基于性能抗震設(shè)計還處于初級研究階段，在目標(biāo)性能水平的合理劃分與確定、結(jié)構(gòu)自身抗震性能確實定及結(jié)構(gòu)非線性精細分析等多方面還需具體深入的研究。

(2)結(jié)構(gòu)的性能水平一般依據(jù)層間位移轉(zhuǎn)角來劃分，目前的層間位移轉(zhuǎn)角方面的研究還僅限于一些根本構(gòu)建，對結(jié)構(gòu)整體變形能力的研究較少。

(3)結(jié)構(gòu)概率地震需求分析是結(jié)構(gòu)抗震性能評估的根底，目前在這一方面的研究還不多見。此外，尋求一種簡單有效的概率地震需求分析和抗震設(shè)計辦法以使結(jié)構(gòu)滿足某種特定目標(biāo)性能是當(dāng)前急需解決的一個主要問題。

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