李玥（新鄭市住房和城鄉(xiāng)建設(shè)局）

淺析鋼結(jié)構(gòu)方面基于性能的抗震設(shè)計(jì)

李玥
（新鄭市住房和城鄉(xiāng)建設(shè)局）

社會(huì)的發(fā)展，人們對(duì)大型工程的抗震設(shè)計(jì)要求逐漸提升，我國(guó)引入世界上關(guān)于鋼結(jié)構(gòu)方面基于抗震性能設(shè)計(jì)的思想，研制出了一套適用于我國(guó)設(shè)計(jì)規(guī)范的鋼結(jié)構(gòu)方面基于性能的抗震設(shè)計(jì)方法。這一方法漸漸成為將來(lái)工程抗震的新趨勢(shì)。其綜合考慮了地震風(fēng)險(xiǎn)、投資能力以及建筑功能等重要因素，采用彈塑性及彈性的方法和抗震結(jié)構(gòu)體系分析不同水準(zhǔn)的地震情況下的部件受力與變形、評(píng)估結(jié)構(gòu)的抗震性能。

鋼結(jié)構(gòu)；性能設(shè)計(jì)；抗震設(shè)計(jì)

引言

每一次大地震的發(fā)生，幾乎都會(huì)給國(guó)家及人民的財(cái)產(chǎn)安全、生命安全帶來(lái)極大的威脅。目前，各地城市化的進(jìn)程加快，城市建筑越來(lái)越高，人口也越來(lái)越密集。而這些人口密集的地區(qū)如果發(fā)生強(qiáng)烈地震，將造成不可預(yù)計(jì)的人員傷亡與財(cái)產(chǎn)損失。發(fā)生在尼泊爾的8.1級(jí)大地震，據(jù)統(tǒng)計(jì)死亡人數(shù)高達(dá)數(shù)千人，90%多的建筑物被損毀。長(zhǎng)期以來(lái)，人類社會(huì)對(duì)于地震的研究從未停止過(guò)，但是由于地震在檢測(cè)及預(yù)報(bào)上存在一定困難，目前依然沒(méi)有找到有效預(yù)警地震的方法。以往大量數(shù)據(jù)證明，地震中的人員傷亡絕大部分是由于建筑倒塌所導(dǎo)致的。因而，我們要盡可能做好建筑抗震的設(shè)計(jì)，以期減輕地震對(duì)建筑結(jié)構(gòu)帶來(lái)的破壞。在實(shí)際的工程設(shè)計(jì)過(guò)程中，設(shè)計(jì)者通過(guò)選用好的建筑材料、研究更完善的抗震設(shè)計(jì)方法來(lái)提升建筑物的抗震性能。

1　鋼結(jié)構(gòu)方面的抗震優(yōu)勢(shì)

目前的工程建設(shè)中大多采用鋼筋混凝土和砌體結(jié)構(gòu)，但是這種結(jié)構(gòu)都存在著自重大、地震的耗能效果差的缺陷。從汶川大地震后的現(xiàn)場(chǎng)可以看出，坍塌的建筑物類型大多以砌體結(jié)構(gòu)為主。砌體和混凝土等這些脆性材料其本身延展性小、構(gòu)件之間為剛性連接，所以這一類型的結(jié)構(gòu)在地震的作用下變形小，無(wú)法充分地吸收地震的能量。大多數(shù)砌體建筑結(jié)構(gòu)的自重相對(duì)較大，構(gòu)件間連接薄弱，缺乏構(gòu)造柱、圈梁等一些抗震結(jié)構(gòu)。這類建筑物在地震中容易發(fā)生坍塌造成大量的人員傷亡。

鋼結(jié)構(gòu)與砌體結(jié)構(gòu)相比在抗震性能方面擁有很大的優(yōu)勢(shì)。因?yàn)殇摻Y(jié)構(gòu)強(qiáng)度很大，在相同的荷載力下，其自重輕的優(yōu)點(diǎn)越發(fā)明顯。輕質(zhì)高強(qiáng)這一特點(diǎn)使鋼結(jié)構(gòu)即使在發(fā)生地震時(shí)也不會(huì)由于自重問(wèn)題而導(dǎo)致建筑結(jié)構(gòu)發(fā)生斷裂現(xiàn)象。鋼材是勻質(zhì)性和各向同性好的材料，很符合材料關(guān)于力學(xué)的假定，其計(jì)算出的結(jié)果和實(shí)際的受力較為匹配。因而，鋼材料在一定量的荷載范圍內(nèi)能夠保持較好的彈塑性而不變形。也不會(huì)由于偶然的超載而產(chǎn)生脆性破壞。除此之外，鋼結(jié)構(gòu)具有良好的韌性，這一特點(diǎn)使得鋼結(jié)構(gòu)在荷載力作用下展現(xiàn)出其它結(jié)構(gòu)所不能比擬的適應(yīng)能力。通過(guò)剛彈性鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)成的整體，能夠?qū)馆^大幅度的變形，有效充分地消耗地震所帶來(lái)的能量，是一種延展性良好的結(jié)構(gòu)。因此，鋼結(jié)構(gòu)非常適合用于地震頻發(fā)地帶的建筑建造。

面對(duì)多樣的結(jié)構(gòu)類型，當(dāng)前我國(guó)對(duì)于抗震設(shè)計(jì)的規(guī)范均采取一致的分析方法，并沒(méi)有對(duì)不同建筑結(jié)構(gòu)類型采用針對(duì)性抗震性能的計(jì)算。隨著我國(guó)鋼鐵產(chǎn)量的提高，鋼結(jié)構(gòu)的發(fā)展日益快速，越來(lái)越多應(yīng)用于建筑中去。從目前的鋼結(jié)構(gòu)建筑的發(fā)展要求看來(lái)，鋼結(jié)構(gòu)方面基于性能的抗震設(shè)計(jì)原理及方法的深化和改善勢(shì)在必行。

2　抗震設(shè)計(jì)思想

美國(guó)加州大學(xué)的J.P.Moehle最早提出基于性能的抗震結(jié)構(gòu)這一設(shè)計(jì)思想。其核心是滿足建筑在使用期限之內(nèi)的各項(xiàng)預(yù)定功能指標(biāo)，然后確定抗震設(shè)計(jì)的目標(biāo)及方法。基于性能這種抗震設(shè)計(jì)方法是對(duì)傳統(tǒng)的抗震設(shè)計(jì)的進(jìn)一步細(xì)化，為發(fā)展建筑工程的抗震計(jì)算這一領(lǐng)域帶來(lái)了新的契機(jī)。相較于傳統(tǒng)抗震設(shè)計(jì)辦法，基于性能的抗震設(shè)計(jì)指出多目標(biāo)控制的方法，有很強(qiáng)的可預(yù)見(jiàn)性，為人們?cè)诳拐饦?biāo)準(zhǔn)上提供了更多的選擇。

在評(píng)價(jià)建筑抗震性能的物理量當(dāng)中，除了力、加速度、位移之外，還要包括損傷程度及能量的量化描述。但是因?yàn)榱Φ闹笜?biāo)沒(méi)辦法全面描述結(jié)構(gòu)破壞損傷以及非彈性狀態(tài)，在實(shí)際應(yīng)用當(dāng)中能量指標(biāo)又存在困難，所以目前這一抗震研究主要是在基于位移的設(shè)計(jì)方法上。

隨著時(shí)代的發(fā)展進(jìn)步，人類對(duì)建筑的需要變得多樣化，抗震設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)也逐漸提高，更加注重建筑在地震時(shí)能夠保證其功能的正常使用。隨著計(jì)算機(jī)在工程計(jì)算中的應(yīng)用，抗震的設(shè)計(jì)理論及其方法日趨成熟，我國(guó)也開(kāi)始把眼光從傳統(tǒng)抗震設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)向基于性能的抗震設(shè)計(jì)這一理論中去。極大促進(jìn)了我國(guó)建筑的發(fā)展，有效保障了受地震威脅的人民的生命財(cái)產(chǎn)安全。

3　基于性能的抗震設(shè)計(jì)方法

3.1Pushover分析方法

Pushover分析方法是從能力普法不斷發(fā)展而來(lái)的。這一分析方法是一種彈力的彈塑性方法，通過(guò)這種方法能夠得出建筑結(jié)構(gòu)在彈塑性下的變形值與強(qiáng)度值，還能夠找出建筑結(jié)構(gòu)的薄弱環(huán)節(jié)。這一方法是對(duì)其中某個(gè)建筑結(jié)構(gòu)施加遞增的荷載力，是它到達(dá)給定的目標(biāo)位移，通過(guò)這種方式來(lái)分析結(jié)構(gòu)的變形能力及其破壞過(guò)程。換一句話說(shuō)，Pushover分析方法是把多自由度體系變?yōu)橄嗟刃?yīng)的單自由度體系，且通過(guò)這一體系來(lái)研究建筑結(jié)構(gòu)的整體承載力。目前Pushover分析方法已經(jīng)成了抗震性能設(shè)計(jì)的重要工具之一。

因?yàn)榛炯俣?，Pushover分析方法更加適用于第一振型結(jié)構(gòu)中，且選取水平加載模式也會(huì)對(duì)計(jì)算的結(jié)果產(chǎn)生較大影響。2008年，工程師葛杰把鋼結(jié)構(gòu)的高層及多層框架結(jié)構(gòu)在罕見(jiàn)地震和多見(jiàn)地震的作用下分別進(jìn)行了Pushover分析，多方面評(píng)估建筑結(jié)構(gòu)的抗震能力，論證了這一方法在鋼結(jié)構(gòu)中抗震計(jì)算的可行性和可靠性。

3.2增量動(dòng)力的分析方法

增量動(dòng)力分析方法是指將地震波幅值進(jìn)行不斷調(diào)整，對(duì)建筑結(jié)構(gòu)的分析由彈性階段變?yōu)榍A段，再?gòu)膹椝苄噪A段進(jìn)入到最終的結(jié)構(gòu)破壞的狀態(tài)。即不穩(wěn)定狀態(tài)。在這過(guò)程中，要進(jìn)行大量非線性動(dòng)力的分析。在地震等級(jí)不同的情況下，此方法可以體現(xiàn)結(jié)構(gòu)的相應(yīng)抗震性能，包括結(jié)構(gòu)剛度、強(qiáng)度以及變形過(guò)程。

在這一方法實(shí)施過(guò)程當(dāng)中，應(yīng)該選擇有代表性的幾條地震波，確定了地面烈度及結(jié)構(gòu)狀態(tài)的變量后，調(diào)整地震的加速度進(jìn)行分析，得出的結(jié)果曲線便是增量動(dòng)力分析的曲線。對(duì)這一曲線的分析研究可以采用能力和需求系數(shù)法進(jìn)行評(píng)估。經(jīng)研究，增量動(dòng)力分析方法能夠和Pushover分析方法結(jié)合使用，這樣便能夠更為有效的評(píng)估鋼結(jié)構(gòu)基于性能的抗震能力。

3.3蟻群優(yōu)化方法

蟻群算法率在20世紀(jì)90年代由學(xué)者Colorni，M.Dorigo和V.Maniezzo提出。這一算法來(lái)源于螞蟻仿生學(xué)研究，在螞蟻之間的信息傳遞是通過(guò)激素進(jìn)行的，這種信息傳遞的方法使蟻群形成一條能夠通往食物的最佳路線。而當(dāng)這一最佳路線出現(xiàn)障礙時(shí)，其也可以快速找到新的路線。通過(guò)這一研究得出結(jié)論：當(dāng)某一個(gè)路線有很多螞蟻通過(guò)時(shí)，就會(huì)有更多的螞蟻會(huì)選擇這一路線。

2010年，Kaveh等人采用這一方法進(jìn)行鋼結(jié)構(gòu)抗震性能的設(shè)計(jì)。他們利用計(jì)算機(jī)的程序，采取非線性分析法，最終得出鋼結(jié)構(gòu)在各種類型地震下的動(dòng)力響應(yīng)，證實(shí)了蟻群優(yōu)化方法較之其它方法更適合解決這類優(yōu)化問(wèn)題。

4　結(jié)語(yǔ)

鋼結(jié)構(gòu)與一般的砌體結(jié)構(gòu)、混凝土結(jié)構(gòu)相比較，其擁有輕質(zhì)高強(qiáng)、抗震性能好、施工速度快及回收率高等幾大優(yōu)點(diǎn)，可以用于空間大、跨度大的公共建筑、高層住宅樓及工業(yè)廠房的修建。目前，我國(guó)正處于經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展時(shí)期，鋼結(jié)構(gòu)必然會(huì)成為今后建筑結(jié)構(gòu)的主流形式。另外，近些年來(lái)，在大型的工程中基于性能的抗震設(shè)計(jì)的應(yīng)用越來(lái)越多，這一設(shè)計(jì)方法也將會(huì)成為今后建筑工程結(jié)構(gòu)抗震領(lǐng)域的新形勢(shì)。因此，在對(duì)鋼結(jié)構(gòu)方面基于性能的抗震分析研究中可以得出兩點(diǎn)結(jié)論：

（1）較之傳統(tǒng)的抗震設(shè)計(jì)理論，基于性能的抗震設(shè)方法提出了更加高的要求，它充分考慮了建筑投資能力、功能及地震風(fēng)險(xiǎn)水平等諸多重要因素，需采取不一樣的抗震體系及方法對(duì)建筑結(jié)構(gòu)抗震能力進(jìn)行分析評(píng)價(jià)，如此需用更為復(fù)雜的算法完成目標(biāo)的控制。因此，在實(shí)際工程的應(yīng)用中還有待進(jìn)一步優(yōu)化。

（2）此抗震設(shè)計(jì)在實(shí)際應(yīng)用中，通常是多種方法相結(jié)合，互相驗(yàn)證綜合使用，在計(jì)算中使結(jié)果更為準(zhǔn)確。

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TU391

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2015-11-28