肖俊柯

（貴陽市建筑設(shè)計院有限公司 貴州貴陽 550001）

在建筑結(jié)構(gòu)越趨復(fù)雜，同時抗震設(shè)計分析理論及相應(yīng)設(shè)計軟件逐步完善的今天，彈塑性分析技術(shù)在基于性能的抗震設(shè)計中應(yīng)用越來越多，從整個發(fā)展來看，一方面聚焦于分析方法本身的研究，另一方面則逐漸向基于彈塑性分析的結(jié)構(gòu)設(shè)計過渡。在第二個方面，重點涉及到彈塑性分析結(jié)果的應(yīng)用，但在實際應(yīng)用方面可能仍然存在一些誤區(qū)。本文主要想從概念上探討一下彈塑性分析內(nèi)力結(jié)果在結(jié)構(gòu)設(shè)計中合理應(yīng)用的幾個問題。

大震彈塑性分析結(jié)果內(nèi)力和變形應(yīng)更關(guān)注哪個指標(biāo)，其實關(guān)于這個問題，王亞勇大師在多個學(xué)術(shù)交流會曾明確表示，應(yīng)更多關(guān)注結(jié)構(gòu)件變形，內(nèi)力的結(jié)果僅做參考，意義不是很大，這主要基于兩個方面的考慮：①對于力和變形兩個響應(yīng)指標(biāo)，由于天然地震波的完全非平穩(wěn)隨機過程特性，加上計算模型中材料和構(gòu)件本構(gòu)模型的選擇差異，后者往往表現(xiàn)的更為穩(wěn)定，而前者的離散性和隨機性要大得多；②目前規(guī)范中給出明確指標(biāo)限值是結(jié)構(gòu)的變形指標(biāo)，最重要的是層間位移角指標(biāo)，構(gòu)件層面有關(guān)于構(gòu)件損傷程度與變形指標(biāo)關(guān)系國內(nèi)規(guī)范可參考建筑結(jié)構(gòu)抗倒塌設(shè)計規(guī)范，國外可參考美國的FEMA規(guī)范的相關(guān)規(guī)定。

彈塑性分析的內(nèi)力能否直接用于構(gòu)件的配筋，答案也是否定的。由于天然地震波離散的特性，不同結(jié)構(gòu)的動力特性也千差萬別，對同一個結(jié)構(gòu)，輸入不同的地震波進行時程分析會得出不同的結(jié)果，目前的彈塑性分析更多的作用是一種驗算，檢驗結(jié)構(gòu)在設(shè)定地震作用下的性能表現(xiàn)。在進行彈塑性分析之前就需明確一個配筋，而對于按照既定配筋的彈塑性分析內(nèi)力結(jié)果再次配筋，從邏輯上講不通的，若分析結(jié)果不滿足變形或性能指標(biāo)，從而調(diào)整配筋再次進行驗算，則是另外一回事；再者，彈塑性分析得到的內(nèi)力，并不是一個確定的內(nèi)力，它除了受制于本身配筋影響，還和整體結(jié)構(gòu)進入彈塑性狀態(tài)后內(nèi)力重分布的情況相關(guān)，其它構(gòu)件配筋也可能影響這個構(gòu)件的內(nèi)力。構(gòu)件本身剛度退化后，內(nèi)力水平與彈性分析的結(jié)果相比可能差別巨大，這個內(nèi)力應(yīng)該是成一種響應(yīng)結(jié)果，而并非承載力需求。這里須補充說明一下，彈塑性分析內(nèi)力結(jié)果雖然不能用于某個構(gòu)件配筋，但對于其它相關(guān)關(guān)鍵構(gòu)件的設(shè)計是有用的，這是一個從整體看的問題。由于關(guān)鍵構(gòu)件的性能目標(biāo)往往較高，一般設(shè)成大震下抗彎不屈服，抗剪彈性，要達到這一目標(biāo)，就必須確定其內(nèi)力需求。此時與之相連的非關(guān)鍵構(gòu)件可能已經(jīng)進入屈服狀態(tài)，此時，這些屈服構(gòu)件與關(guān)鍵構(gòu)件之間的作用實際上為關(guān)鍵構(gòu)件的邊界內(nèi)力需求，可將這個內(nèi)力用于關(guān)鍵構(gòu)件設(shè)計截面和配筋是合理的。同理，包括例如基礎(chǔ)設(shè)計，柱腳螺栓焊縫設(shè)計等，都可以使用上部結(jié)構(gòu)彈塑性分析的內(nèi)力結(jié)果。

那如何確定彈塑性分析下的選波及計算結(jié)果的可靠性？規(guī)范規(guī)定分析所采用的地震波平均反應(yīng)譜與振型分解反應(yīng)譜法所采用的反應(yīng)譜應(yīng)“在統(tǒng)計意義上相符”，在對應(yīng)結(jié)構(gòu)主要周期點上與規(guī)范反應(yīng)譜相差不大于20%，這個選波要求只是一種參考，并非強制性的要求，因為規(guī)范反應(yīng)譜是基于大量真實地震動實測數(shù)據(jù)的結(jié)果生成，并進過清除少量最大加速度尖峰，經(jīng)平滑處理得到的，考慮了場地、烈度、震中距等參數(shù)的影響，是比較有代表的，因此，規(guī)范反應(yīng)譜的構(gòu)建是選波的依據(jù)，但最終標(biāo)準(zhǔn)仍是規(guī)范規(guī)定的結(jié)構(gòu)底部剪力。但如果所選擇的地震波在每個周期點都與反應(yīng)譜滿足較小的正負(fù)偏差，實際上除人工波外很難達到，當(dāng)然肯定更容易滿足總地震力的要求，同時也會失去地震輸入的多樣性，削弱了天然地震波的完全非平穩(wěn)隨機過程特性，特別是缺少強烈變化的短周期成分，無法“激發(fā)”結(jié)構(gòu)的高階振型響應(yīng)，以發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)可能存在的薄弱環(huán)節(jié)。實際上，時程分析與反應(yīng)譜分析的關(guān)系，實質(zhì)上是事物特殊性與一般性的關(guān)系，要兩方面都考慮到。對彈性時程分析底部剪力高規(guī)有明確的單條波及多條波平均值的要求，但對彈塑性分析卻無明確要求，現(xiàn)在更多控制大震彈塑性底部剪力與小震彈性底部剪力之比在3～5倍之間，但無任何依據(jù)，存在一定爭議，有超過此范圍的不在少數(shù)，畢竟同一個結(jié)構(gòu)，選波的離散性，選擇材料與構(gòu)件的本構(gòu)模型，甚至計算分析軟件的選擇，都對最終分析結(jié)果造成較大的影響，但總的來說通過比較分析可以對在預(yù)期地震作用下的整體性能有所把握。當(dāng)然，規(guī)范建議適當(dāng)增加輸入的地震波數(shù)量，數(shù)量越多近似性越好。

另外關(guān)于地震波有效持續(xù)時間規(guī)范有最低限制，是5倍的結(jié)構(gòu)基本周期，且地震波計算起點與終點有效加速度值均不小于10%的有效峰值加速度，但還需要綜合考慮地震波的實際振動情況，根據(jù)經(jīng)驗，通常需要計算到結(jié)構(gòu)的響應(yīng)明顯衰減。比如對于超高層結(jié)構(gòu)，當(dāng)周期較長時，長如8s以上，結(jié)構(gòu)的振動最大響應(yīng)經(jīng)常會相對于地震波輸入峰值有較大滯后，而天然波的振幅本身衰減較快，這種情況下在滿足5倍有效持續(xù)時間前提下，需要確保結(jié)構(gòu)的最大響應(yīng)已經(jīng)出現(xiàn)并有明顯衰減，為了實現(xiàn)這一計算目的，有時需要增加有效計算時間，即在5倍有效持續(xù)時間之外有一定延長，這對反映結(jié)構(gòu)最大響應(yīng)是有意義的。

總之，彈塑性分析的變形指標(biāo)更適合直接評價與判斷，在基于性能的抗震設(shè)計中，應(yīng)避免對彈塑性分析內(nèi)力結(jié)果的不合理應(yīng)用。

[1]《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》（JGJ3-2010）.北京：中國建筑工業(yè)出版社.

[2]結(jié)構(gòu)時程分析輸入地震動準(zhǔn)則和輸出結(jié)果解讀.建筑結(jié)構(gòu)，2017，47（11）：1～6.

[3]動力彈塑性分析結(jié)果用于指導(dǎo)結(jié)構(gòu)性能設(shè)計的若干問題.建筑結(jié)構(gòu)，2017，47（11）：1～10.