吳濤

[摘要] 復雜結構、不規(guī)則結構及超限高層結構在工程設計中經(jīng)常需要進行抗震性能化設計和驗算。本文從抗震性能化分析的概念入手，介紹了結構性能化的基本思路和方法，提出了在實際工程中進行結構性能化設計的方法。

[關鍵詞]性能設計 中震（大震）彈性 中震（大震）不屈服彈塑性分析

中圖分類號：S611文獻標識碼： A

1. 前言

抗震性能化設計是我國建筑結構抗震設計一個新的重要發(fā)展，它的特點是使抗震設計從宏觀定性的目標向具體量化的多重目標過渡，設計者可根據(jù)建筑物的重要性采用不同的性能目標和抗震措施。由于現(xiàn)行抗震規(guī)范和高層對這部分都有專門的規(guī)定，結構抗震性能化設計已經(jīng)成為結構設計中不可或缺的一部分內容。

2. 結構性能化設計的思路和方法

結構性能化設計的重點是深入的計算分析和工程判斷，找出結構有可能出現(xiàn)的薄弱部位，提出有針對性的抗震加強措施，分析論證結構可達到預期的抗震性能目標。為此一般需要進行深入的彈性和彈塑性計算分析(靜力分析及時程分析)并判斷計算結果的合理性；找出結構有可能出現(xiàn)的薄弱部位以及需要加強的關鍵部位，提出有針對性的抗震加強措施；論證結構能滿足所選用的抗震性能目標的要求。目前結構性能化設計方法主要有結構整體彈塑性分析法和構件彈性分析法，這兩種方法均可以采用結構設計軟件來實現(xiàn)。

2.1 構件彈性分析法

在不規(guī)則結構、復雜結構中，關鍵構件的抗震性能直接影響到整體結構的抗震性能，所以對關鍵構件性能的控制有著重要的作用。根據(jù)2010年住房和城鄉(xiāng)建設部頒布的《超限高層建筑工程抗震設防專項審查技術要點》的通知要求，構件抗震性能設計的彈性分析法主要有中震（大震）彈性分析法和中震（大震）不屈服分析法，這兩種方法均可以采用軟件來準確計算：

（1）中震（大震）彈性分析法：是指在中震（大震）作用下，結構基本完好，即結構構件基本保持彈性狀態(tài)，各種承載力設計值基本滿足規(guī)范對抗震承載力的要求。設計時地震最大影響系數(shù)取為中震（大震）；內力調整系數(shù)取1.0（強柱弱梁，強剪弱彎等）；材料強度取設計值；其余分項系數(shù)和組合系數(shù)保留；抗震調整系數(shù)γRE取同小震。

（2）中震（大震）不屈服分析法：是指在中震（大震）作用下，結構輕微破壞，即結構可能出現(xiàn)輕微的塑性變形，但不達到屈服狀態(tài)，按材料強度標準值計算的承載力大于地震作用標準組合的效應。設計時地震最大影響系數(shù)取為中震（大震）；內力調整系數(shù)取1.0（強柱弱梁，強剪弱彎等）；材料強度采用標準值；荷載分項系數(shù)均取為1.0，保留組合系數(shù)；抗震調整系數(shù)γRE取為1.0；

從上述可知，中震（大震）彈性和中震（大震）不屈服是兩個概念。中震（大震）彈性是指不考慮內力調整的抗震驗算；中震（大震）不屈服是指內力、材料強度均按標準值計算，并且不考慮抗震承載力調整系數(shù)。中震彈性要比中震不屈服的要求嚴的多，對于抗震等級在一級以上的構件，通常按小震彈性計算得到的配筋要比中震不屈服的大，故應加強對中震（大震）不屈服計算結構的判別，以不小于小震彈性為原則。中震不屈服設計已經(jīng)去掉所有安全度，屬于承載力極限狀態(tài)設計；中震彈性設計取消內力調整的經(jīng)驗系數(shù)，保留荷載分項系數(shù)，也就是保留了結構的安全度和可靠度，屬正常設計，相應的配筋也大得多。

上述兩種分析方法都是一種近似的計算方法，強調以概念設計為主，不必追求過高的計算精度。在目前的規(guī)范中沒有相關的規(guī)定，只有在具體提出結構性能化設計要求時，才進行針對性的分析和驗算。在目前廣泛使用的SATWE（2012版）中，進行上述構件彈性分析時，只需根據(jù)需要選擇中震（大震）彈性或中震（大震）不屈服選項，同時修改相應的地震影響系數(shù)，其余系數(shù)SATWE會根據(jù)選擇自動調整。

2.2 結構整體彈塑性分析法

結構整體彈塑性分析主要考慮大震的情況，驗算結構大震下的整體性能，如結構最大彈塑性位移和層間位移角、結構的性能點、抗倒塌驗算、樓層屈服系數(shù)、薄弱層驗算和確定等，以確定結構在大震下的破壞程度。彈塑性分析也可驗算中震的情況。彈塑性分析法主要有靜力彈塑性分析法（Pushover）和動力彈塑性分析法。靜力彈塑性分析法是對結構在罕遇地震作用下進行彈塑性變形分析的一種簡化方法，本質上它是一種靜力分析方法。具體的說，就是在結構分析模型上施加按某種規(guī)定的分布方式模擬地震水平作用慣性力，單調加載并逐級加大，一旦構件開裂或屈服即修改其剛度，直到結構達到預定狀態(tài)（成為機構、位移超限或達到目標位移），從而判斷結構分析模型是否滿足相應的抗震能力要求。靜力彈塑性分析法在一定適用范圍內能較為準確地反映結構非線性地震反應特征，對層數(shù)不多或自振周期不太長的結構，不失位一種可行的彈塑性簡化分析方法，其分析結構的可信度主要取決于加載方式，如倒三角形分布、矩形分布、第一振型分布等；動力彈塑性分析法能計算地震反應全過程中各時刻結構的內力和變形狀態(tài)，給出結構的開裂和屈服順序，發(fā)現(xiàn)應力和塑性變形集中的部位，從而判別結構的屈服機制、薄弱環(huán)節(jié)及可能破壞類型，被認為是結構彈塑性分析的最可靠方法，但是動力彈塑性分析法計算耗時，結果處理復雜，許多問題在理論上還有待改進（如輸入地震動及構件恢復力模型的不確定性）等，其分析結構的可信度主要取決于地震波的合理性和結構恢復力模型的合理性。結構整體彈塑性分析在目前常用的通用有限元軟件（如ABAQUS、MSC.MARC和SAP2000等）均能實現(xiàn)。

3．結語與建議

（1）結構中震設計方法中，結構構件仍近似采用小震時的彈性剛度，沒有考慮結構構件在中震作用下的剛度退化，因此中震彈性性能化分析只是一種近似的計算方法，強調以概念設計為主，不必追求過高的計算精度。

（2）在中震作用下，結構剛度已退化，因此結構在中震時剛度退化不是很大時，可以采用中震彈性分析，如果中震時結構剛度退化較為嚴重造成結構內力重分布則應采用彈塑性分析。

（3）在結構的中震設計方法中，有許多問題尚待研究，如剛度的計算和取值、結構阻尼比的取值等，我們期待中震設計理論的進一步完善，并能應用于工程實踐中。

參考文獻

建筑抗震設計規(guī)范（GB5011-2010）

李國勝簡明高層鋼筋混凝土結構設計手冊

多層及高層建筑結構彈塑性動力、彈塑性靜力分析軟件用戶手冊

SATWE用戶手冊及技術條件