现代建筑结构抗震设计方法研究

郭 华 江雄华

（1、江西省德安县建筑设计室，江西 德安 330400 2、江西省弋阳县城乡规划建设局，江西 弋阳 334400）

1 前言

建筑结构的地震反应可以用不同的变量来体现，具体在抗震设计过程中采用何种设计变量则要根据结构自身类型、地震反应特性、地震破坏模式等因素综合考虑。依据结构抗震设计变量的不同对结构抗震设计方法进行分类，大致可分为基于承载力的抗震设计法、基于位移的抗震设计方法、基于能量的抗震设计方法和基于损伤的抗震设计方法。目前我国抗震设计是一种以承载力为主同时含有部分性能设计思想的方法。

2 基于承载力的结构抗震设计

基于承载力的抗震设计，建立在静力分析理论之上，以惯性力的形式来反映地震作用，并按弹性方法来计算结构地震作用效应的大小、进行结构弹性位移验算，把结构构件的强度是否达到特定的极限状态作为结构失效的准则。基于承载力的结构抗震设计方法是现行规范中普遍应用的基于承载力并考虑结构延性的抗震设计方法。

2.1 设防目标

现代基于承载力的结构抗震设计目标大致分为三个水准：第一水准对应抗震正常使用极限状态，就是在该状态下结构的功能和使用应不受影响，这意味着结构和非结构构件都不会发生需要修复的损伤。第二水准对应结构损伤控制极限状态，在该状态下结构中受力较充分的部位已经进入屈服后变形状态。第三水准对应人在地震中能够幸存的极限状态，在这一极限状态下虽然容许结构出现不可修复的损伤，但要求保持较好的整体性而不倒塌。

2.2 结构构件抗震承载力的验算

在结构构件抗震力验算过程中，设计地震作用力以单独的一项乘以荷载分项系数加入到结构构件的承载力验算的作用效应计算中。当以"承载力准则"来考察抗震结构的安全水准时，地震力则被视为一项"荷载"，并以相应地震作用分项系数的取值体现其对构件可靠性水准的影响。当以"设计地震力-延性"联合准则来综合权衡抗震结构的安全水准时，地震作用效应和其他荷载效应的组合效应起确定结构构件屈服水准的作用。

2.3 结构地震作用降低系数与抗震措施

现代抗震设计所采用的思路是用相对于设防烈度地震水准而言降低了的地震作用参与组合来进行结构的承载能力设计，以使结构在较低的地震作用时保持弹性工作状态；在较大的地震作用下，则引导结构以合理的方式进入屈服后反应状态，通过结构的非弹性变形来抵御一部分地震作用，使结构在不同水准的地震作用下满足相应的设防水准要求。得出的基本规律是：如果以结构始终保持弹性反应所需要的设计地震作用为基准，则对不论属于哪个特定地震分区的结构而言，其取用的设计地震作用越低，结构在相同水准地震作用下达到的屈服后水平位移就越大，或者说位移延性需求就越高。

2.4 基于承载力结构抗震设计方法的特点

① 与传统的结构设计方法接近，便于工程设计人员理解和操作。

② 基于承载力的抗震设计以惯性力的形式来反映地震作用，视结构为弹性体系，以结构固有频率所对应的最大地震反应为控制值，按弹性方法计算结构地震作用效应。

③ 加速度反应谱理论取用的是整个反应过程中的最大值，不能给出结构地震反应的全过程，没有考虑地震动的持时特性。

2.5 基于承载力结构抗震设计方法的研究现状及发展趋势

基于承载力的抗震设计法作为产生较早的方法，经过多年的研究发展较之其他抗震设计方法相对成熟。目前加速度反应谱的短周期段的精度已基本满足工程使用要求，研究主要关注反应谱的不合理性。随着高层、超高层等长周期结构的发展，对反应谱长周期的研究也逐渐开展。

3 基于能量的结构抗震设计

基于能量的抗震设计理论是从能量的角度考虑地震地面运动对于结构的作用，概念明确，能够较好的反映地震动强度、频谱、持时对结构破坏的综合影响，从输入能量和耗散能量的角度捕捉到结构在强烈地震作用下的非弹性变形历程。由于能量分析的复杂性，基于能量的结构抗震设计方法还处在理论研究阶段，能实际运用到工程设计中的能量设计法至今还未完整的建立起来。能量概念和破坏模型一直是抗震研究中的两个论题，特别是目前基于性能的抗震设计思路的提出，又对抗震结构的耗能能力及性能的研究提出了新的要求。

3.1 基于能量的抗震设计方法的特点

① 基于能量的抗震设计方法从能量的角度考察地震对结构的作用和结构的损伤破坏的相互关系，用地震输入能量在结构中的转化、耗散来解释整个地震作用过程，原理更加清晰简洁。

② 结构地震反应的能量分析方法以能量作为地震作用参数能够较好地反映结构在地震地面运动作用下的非线性性质及地震动三要素（幅值、频谱特性和持时）对结构抗震性能影响。

③ 能量分析采用动力时程分析方法，能够求得结构地震反应的全过程，使塑性累计损伤对结构破坏的影响能够清晰的反映出来，对结构损伤性能的控制有重要意义。

3.2 存在的问题与今后的发展方向

① 对于设计地震作用的确定方式，以能量谱的形式虽然得到多数人的支持，有待进一步深入研究。

② 结构地震反应的能量分析还处于研究阶段，能量反应分析比较准确的、普遍采用的是动力时程分析法。

③ 对结构总耗能在阻尼耗能与非弹性变形耗能之间的分配、非弹性变形能结构内部层间及构件的耗能分布规律的研究结果并不十分明确。还没有建立起一个比较符合实际并得到普遍认可的结构破坏状态与能量控制参数的关系表达式。

④ 目前对能量法的研究还局限在单自由度体系的分析当中，加强对多自由度体系地震能量反应与单自由度体系反应的关系方面进行研究，对能量方法得以应用到复杂结构体系上尽早实现与工程实际抗震设计的结合有很重要的意义。

4 基于损伤的结构抗震设计

近年来地震害经验和各国学者的研究表明：由于地震是一种往复运动，并且地震动持时一般较短，因此地震作用下的损伤不仅与最大变形有关，还与结构的低周疲劳效应所造成的累积损伤有关。用能够反映结构的变形和累积损伤效应的损伤性能参数可以更好地描述结构的非弹性性能，通过选取适当的地震损伤模型、按照结构在未来地震作用下的损伤允许值来进行抗震设计更为经济合理，由此产生了基于损伤性能的抗震设计思想。采用基于地震损伤理论的损伤指数能够定量的描述结构在地震作用下的倒塌破坏情况，而且损伤指数物理意义明确。

5 基于位移的结构抗震设计

基于位移的抗震设计是指：在一定水准的地震作用下，以结构的位移响应为目标设计结构和构件，使结构达到该水准地震作用下的性能要求。其原理为按位移要求进行定量分析，使结构的塑性变形能力满足在预期的地震作用下的变形要求，即控制结构在大震作用下的层间位移角限值和总体位移限值。核心思想是直接通过控制结构的位移和层间位移水准来进行结构抗震设计。它是一种合理的、定量的并且相对简单的方法。根据设计思路的不同，基于位移的结构抗震设计大致可分为三种方法：按延性系数设计方法、能力谱法、直接基于位移的设计方法。他们之间的差别在于：直接位移法和控制延性方法是依据位移目标进行结构设计的方法，而能力谱法则更多的是一种位移验算方法。

6 结语

从当前主要使用和研究的几种抗震设计方法出发，对基于承载力、基于能量、基于损伤、基于位移结构抗震设计方法的内容、特点、研究现状和发展趋势进行了概述。目前基于承载力的抗震设计方法较之其他方法较为成熟，有了完整的设计体系，与传统结构设计做法近似、易于操作，但该方法还存在一些问题需要进一步研究调整。其他几种抗震设计方法各具特色，概念原理清晰，分析及计算过程考虑到了基于承载力的设计方法的一些不足，但分析方法复杂、对普通设计者缺乏可操作性，距离实际工程抗震设计应用尚需大量研究工作。

[1]胡聿贤.地震工程学[M].北京:地震出版社,2006

[2]叶列平,经杰.论结构抗震设计方法[C].第六届全国地震工程会议论文集,2002.