郭 華 江雄華

（1、江西省德安縣建筑設(shè)計(jì)室，江西 德安 330400 2、江西省弋陽縣城鄉(xiāng)規(guī)劃建設(shè)局，江西 弋陽 334400）

1 前言

建筑結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)可以用不同的變量來體現(xiàn)，具體在抗震設(shè)計(jì)過程中采用何種設(shè)計(jì)變量則要根據(jù)結(jié)構(gòu)自身類型、地震反應(yīng)特性、地震破壞模式等因素綜合考慮。依據(jù)結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)變量的不同對結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)方法進(jìn)行分類，大致可分為基于承載力的抗震設(shè)計(jì)法、基于位移的抗震設(shè)計(jì)方法、基于能量的抗震設(shè)計(jì)方法和基于損傷的抗震設(shè)計(jì)方法。目前我國抗震設(shè)計(jì)是一種以承載力為主同時(shí)含有部分性能設(shè)計(jì)思想的方法。

2 基于承載力的結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)

基于承載力的抗震設(shè)計(jì)，建立在靜力分析理論之上，以慣性力的形式來反映地震作用，并按彈性方法來計(jì)算結(jié)構(gòu)地震作用效應(yīng)的大小、進(jìn)行結(jié)構(gòu)彈性位移驗(yàn)算，把結(jié)構(gòu)構(gòu)件的強(qiáng)度是否達(dá)到特定的極限狀態(tài)作為結(jié)構(gòu)失效的準(zhǔn)則。基于承載力的結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)方法是現(xiàn)行規(guī)范中普遍應(yīng)用的基于承載力并考慮結(jié)構(gòu)延性的抗震設(shè)計(jì)方法。

2.1 設(shè)防目標(biāo)

現(xiàn)代基于承載力的結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)目標(biāo)大致分為三個(gè)水準(zhǔn)：第一水準(zhǔn)對應(yīng)抗震正常使用極限狀態(tài)，就是在該狀態(tài)下結(jié)構(gòu)的功能和使用應(yīng)不受影響，這意味著結(jié)構(gòu)和非結(jié)構(gòu)構(gòu)件都不會(huì)發(fā)生需要修復(fù)的損傷。第二水準(zhǔn)對應(yīng)結(jié)構(gòu)損傷控制極限狀態(tài)，在該狀態(tài)下結(jié)構(gòu)中受力較充分的部位已經(jīng)進(jìn)入屈服后變形狀態(tài)。第三水準(zhǔn)對應(yīng)人在地震中能夠幸存的極限狀態(tài)，在這一極限狀態(tài)下雖然容許結(jié)構(gòu)出現(xiàn)不可修復(fù)的損傷，但要求保持較好的整體性而不倒塌。

2.2 結(jié)構(gòu)構(gòu)件抗震承載力的驗(yàn)算

在結(jié)構(gòu)構(gòu)件抗震力驗(yàn)算過程中，設(shè)計(jì)地震作用力以單獨(dú)的一項(xiàng)乘以荷載分項(xiàng)系數(shù)加入到結(jié)構(gòu)構(gòu)件的承載力驗(yàn)算的作用效應(yīng)計(jì)算中。當(dāng)以"承載力準(zhǔn)則"來考察抗震結(jié)構(gòu)的安全水準(zhǔn)時(shí)，地震力則被視為一項(xiàng)"荷載"，并以相應(yīng)地震作用分項(xiàng)系數(shù)的取值體現(xiàn)其對構(gòu)件可靠性水準(zhǔn)的影響。當(dāng)以"設(shè)計(jì)地震力-延性"聯(lián)合準(zhǔn)則來綜合權(quán)衡抗震結(jié)構(gòu)的安全水準(zhǔn)時(shí)，地震作用效應(yīng)和其他荷載效應(yīng)的組合效應(yīng)起確定結(jié)構(gòu)構(gòu)件屈服水準(zhǔn)的作用。

2.3 結(jié)構(gòu)地震作用降低系數(shù)與抗震措施

現(xiàn)代抗震設(shè)計(jì)所采用的思路是用相對于設(shè)防烈度地震水準(zhǔn)而言降低了的地震作用參與組合來進(jìn)行結(jié)構(gòu)的承載能力設(shè)計(jì)，以使結(jié)構(gòu)在較低的地震作用時(shí)保持彈性工作狀態(tài)；在較大的地震作用下，則引導(dǎo)結(jié)構(gòu)以合理的方式進(jìn)入屈服后反應(yīng)狀態(tài)，通過結(jié)構(gòu)的非彈性變形來抵御一部分地震作用，使結(jié)構(gòu)在不同水準(zhǔn)的地震作用下滿足相應(yīng)的設(shè)防水準(zhǔn)要求。得出的基本規(guī)律是：如果以結(jié)構(gòu)始終保持彈性反應(yīng)所需要的設(shè)計(jì)地震作用為基準(zhǔn)，則對不論屬于哪個(gè)特定地震分區(qū)的結(jié)構(gòu)而言，其取用的設(shè)計(jì)地震作用越低，結(jié)構(gòu)在相同水準(zhǔn)地震作用下達(dá)到的屈服后水平位移就越大，或者說位移延性需求就越高。

2.4 基于承載力結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)方法的特點(diǎn)

① 與傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法接近，便于工程設(shè)計(jì)人員理解和操作。

② 基于承載力的抗震設(shè)計(jì)以慣性力的形式來反映地震作用，視結(jié)構(gòu)為彈性體系，以結(jié)構(gòu)固有頻率所對應(yīng)的最大地震反應(yīng)為控制值，按彈性方法計(jì)算結(jié)構(gòu)地震作用效應(yīng)。

③ 加速度反應(yīng)譜理論取用的是整個(gè)反應(yīng)過程中的最大值，不能給出結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)的全過程，沒有考慮地震動(dòng)的持時(shí)特性。

2.5 基于承載力結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)方法的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

基于承載力的抗震設(shè)計(jì)法作為產(chǎn)生較早的方法，經(jīng)過多年的研究發(fā)展較之其他抗震設(shè)計(jì)方法相對成熟。目前加速度反應(yīng)譜的短周期段的精度已基本滿足工程使用要求，研究主要關(guān)注反應(yīng)譜的不合理性。隨著高層、超高層等長周期結(jié)構(gòu)的發(fā)展，對反應(yīng)譜長周期的研究也逐漸開展。

3 基于能量的結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)

基于能量的抗震設(shè)計(jì)理論是從能量的角度考慮地震地面運(yùn)動(dòng)對于結(jié)構(gòu)的作用，概念明確，能夠較好的反映地震動(dòng)強(qiáng)度、頻譜、持時(shí)對結(jié)構(gòu)破壞的綜合影響，從輸入能量和耗散能量的角度捕捉到結(jié)構(gòu)在強(qiáng)烈地震作用下的非彈性變形歷程。由于能量分析的復(fù)雜性，基于能量的結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)方法還處在理論研究階段，能實(shí)際運(yùn)用到工程設(shè)計(jì)中的能量設(shè)計(jì)法至今還未完整的建立起來。能量概念和破壞模型一直是抗震研究中的兩個(gè)論題，特別是目前基于性能的抗震設(shè)計(jì)思路的提出，又對抗震結(jié)構(gòu)的耗能能力及性能的研究提出了新的要求。

3.1 基于能量的抗震設(shè)計(jì)方法的特點(diǎn)

① 基于能量的抗震設(shè)計(jì)方法從能量的角度考察地震對結(jié)構(gòu)的作用和結(jié)構(gòu)的損傷破壞的相互關(guān)系，用地震輸入能量在結(jié)構(gòu)中的轉(zhuǎn)化、耗散來解釋整個(gè)地震作用過程，原理更加清晰簡潔。

② 結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)的能量分析方法以能量作為地震作用參數(shù)能夠較好地反映結(jié)構(gòu)在地震地面運(yùn)動(dòng)作用下的非線性性質(zhì)及地震動(dòng)三要素（幅值、頻譜特性和持時(shí)）對結(jié)構(gòu)抗震性能影響。

③ 能量分析采用動(dòng)力時(shí)程分析方法，能夠求得結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)的全過程，使塑性累計(jì)損傷對結(jié)構(gòu)破壞的影響能夠清晰的反映出來，對結(jié)構(gòu)損傷性能的控制有重要意義。

3.2 存在的問題與今后的發(fā)展方向

① 對于設(shè)計(jì)地震作用的確定方式，以能量譜的形式雖然得到多數(shù)人的支持，有待進(jìn)一步深入研究。

② 結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)的能量分析還處于研究階段，能量反應(yīng)分析比較準(zhǔn)確的、普遍采用的是動(dòng)力時(shí)程分析法。

③ 對結(jié)構(gòu)總耗能在阻尼耗能與非彈性變形耗能之間的分配、非彈性變形能結(jié)構(gòu)內(nèi)部層間及構(gòu)件的耗能分布規(guī)律的研究結(jié)果并不十分明確。還沒有建立起一個(gè)比較符合實(shí)際并得到普遍認(rèn)可的結(jié)構(gòu)破壞狀態(tài)與能量控制參數(shù)的關(guān)系表達(dá)式。

④ 目前對能量法的研究還局限在單自由度體系的分析當(dāng)中，加強(qiáng)對多自由度體系地震能量反應(yīng)與單自由度體系反應(yīng)的關(guān)系方面進(jìn)行研究，對能量方法得以應(yīng)用到復(fù)雜結(jié)構(gòu)體系上盡早實(shí)現(xiàn)與工程實(shí)際抗震設(shè)計(jì)的結(jié)合有很重要的意義。

4 基于損傷的結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)

近年來地震害經(jīng)驗(yàn)和各國學(xué)者的研究表明：由于地震是一種往復(fù)運(yùn)動(dòng)，并且地震動(dòng)持時(shí)一般較短，因此地震作用下的損傷不僅與最大變形有關(guān)，還與結(jié)構(gòu)的低周疲勞效應(yīng)所造成的累積損傷有關(guān)。用能夠反映結(jié)構(gòu)的變形和累積損傷效應(yīng)的損傷性能參數(shù)可以更好地描述結(jié)構(gòu)的非彈性性能，通過選取適當(dāng)?shù)牡卣饟p傷模型、按照結(jié)構(gòu)在未來地震作用下的損傷允許值來進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)更為經(jīng)濟(jì)合理，由此產(chǎn)生了基于損傷性能的抗震設(shè)計(jì)思想。采用基于地震損傷理論的損傷指數(shù)能夠定量的描述結(jié)構(gòu)在地震作用下的倒塌破壞情況，而且損傷指數(shù)物理意義明確。

5 基于位移的結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)

基于位移的抗震設(shè)計(jì)是指：在一定水準(zhǔn)的地震作用下，以結(jié)構(gòu)的位移響應(yīng)為目標(biāo)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)和構(gòu)件，使結(jié)構(gòu)達(dá)到該水準(zhǔn)地震作用下的性能要求。其原理為按位移要求進(jìn)行定量分析，使結(jié)構(gòu)的塑性變形能力滿足在預(yù)期的地震作用下的變形要求，即控制結(jié)構(gòu)在大震作用下的層間位移角限值和總體位移限值。核心思想是直接通過控制結(jié)構(gòu)的位移和層間位移水準(zhǔn)來進(jìn)行結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)。它是一種合理的、定量的并且相對簡單的方法。根據(jù)設(shè)計(jì)思路的不同，基于位移的結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)大致可分為三種方法：按延性系數(shù)設(shè)計(jì)方法、能力譜法、直接基于位移的設(shè)計(jì)方法。他們之間的差別在于：直接位移法和控制延性方法是依據(jù)位移目標(biāo)進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的方法，而能力譜法則更多的是一種位移驗(yàn)算方法。

6 結(jié)語

從當(dāng)前主要使用和研究的幾種抗震設(shè)計(jì)方法出發(fā)，對基于承載力、基于能量、基于損傷、基于位移結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)方法的內(nèi)容、特點(diǎn)、研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢進(jìn)行了概述。目前基于承載力的抗震設(shè)計(jì)方法較之其他方法較為成熟，有了完整的設(shè)計(jì)體系，與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)做法近似、易于操作，但該方法還存在一些問題需要進(jìn)一步研究調(diào)整。其他幾種抗震設(shè)計(jì)方法各具特色，概念原理清晰，分析及計(jì)算過程考慮到了基于承載力的設(shè)計(jì)方法的一些不足，但分析方法復(fù)雜、對普通設(shè)計(jì)者缺乏可操作性，距離實(shí)際工程抗震設(shè)計(jì)應(yīng)用尚需大量研究工作。

[1]胡聿賢.地震工程學(xué)[M].北京:地震出版社,2006

[2]葉列平,經(jīng)杰.論結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)方法[C].第六屆全國地震工程會(huì)議論文集,2002.