结构抗震性能退化的设计方法与对策

魏春梅

中煤科工集团北京华宇公司平顶山分公司（467000）

结构抗震性能退化的设计方法与对策

魏春梅

中煤科工集团北京华宇公司平顶山分公司（467000）

结构的抗震性能必将退化，为保证结构安全，需在结构设计之初考虑结构抗震性能退化。

结构；抗震性能；性能退化；龄期；可靠度

0 引言

近年来，我国较大震级的地震灾害发生的频率明显增加，造成的巨大人员伤亡和经济损失。城市人口密度较大，一旦发生地震，后果不堪设想。建筑物的抗震性能必将随着时间推移而不断降低。因此对结构抗震性能有必要进行深入研究。

1 已有的结构抗震性能退化的设计方法

由于地震易造成毁灭性的遭难，而地震预测研究相对滞后，有必要对可能发生地震区域的结构进行抗震设计。目前，普遍得到公认的设计方法是:当结构遭遇强烈地震作用时，允许次要结构或一般结构中的结构构件进入非弹性状态，利用其变形和耗能能力耗散地震能量，使得主体结构整体处于弹性状态而不发生倒塌，以保证建筑内部人员生命财产安全。随着研究人员对地震记录研究，结构抗震设计方法经历了基于力、基于位移、基于能量、基于性能和基于损伤的不同阶段。

基于力的设计方法假设结构是刚体，在地震作用下不发生相对位移，即整个结构变形均相等，同时，结构处于弹性状态[1]。结构受到的力等于结构自重与地震加速度的乘积。基于力的设计方法优点在于简单实用、可操作性强，缺点在于不能考虑结构非弹性变形。

基于位移的设计方法是目前全球普遍采用的设计方法，其核心思想以结构在地震作用下的位移作为控制目标，通过控制结构变形来实现结构抗倒塌设计的目的[2]。基于位移的设计方法比基于力的设计方法的进步之处在于允许结构发生非弹性变形，达到既满足抗震要求，又满足经济目标。目前基于位移的设计方法通常采用结构顶点位移、延性或结构最大层间位移角作用评价或控制结构性能的指标。结构顶点位移使用较为简便，但与延性指标相同均不能评价结构薄弱层。已有研究成果显示,即使结构刚度沿建筑高度不变或变化均匀，也可能发生变形集中层。以结构最大层间位移角作为结构评价指标，可以准确找到结构变形最大位置。通过结构最大层间位移角来控制结构变形，可避免由层高变化带来的评价结果的差异，因此，以最大层间位移角作为结构抗震性能评价指标是适宜的。

基于能量的设计方法从能量的角度入手，认为地震作用实质上是能量输入，结构通过自身变形耗散地震能量。若结构耗能能力大于地震输入能量，则结构安全；若结构耗能能力小于地震输入能量,则结构将被破坏[3]。

目前，基于性能的设计方法实质上仍然是基于位移的设计方法，其出发点在于对不同抗震需求的建筑采用不同的控制指标[4]。针对不同的结构，通常将抗震性能划分为不同结构性能水准、抗震设防水准以及相应的性能目标。例如，我国抗震规范中“小震不坏、中震可修、大震不倒”的设计思想即可认为是基于性能的设计方法。基于性能的设计方法可保证结构在小震作用下不发生非弹性变形；在中震作用下发生轻微破坏，不需要维修或少许维修即可达到继续使用的目标；而在大震作用下不发生倒塌，从而保护人员生命安全。

基于损伤的设计方法认为，结构在地震作用下处于非弹性状态时将发生损伤破坏，这种损伤破坏会不断累积，且是不可逆的[5]。目前，基于损伤的设计方法尚不成熟，评价指标较多，得到公认的损伤理论是:结构在地震作用破坏是同时由结构的最大非线性变形与结构累积损伤共同造成的，因此在评价结构抗震性能时需考虑结构最大变形与结构累积破坏。

2 结构抗震性能退化

上述结构设计方法均未考虑到结构抗震性能随时间的退化[6]。结构在投入使用后，由于所处的环境长期作用，如钢材锈蚀、遭遇地震，这些情况都将对结构的抗震性能产生不利影响，导致结构可靠度不断降低,随着结构服役年限的增加，这种退化现象更加明显。因此结构的抗震性能并不是不变的，而是具有时变性。传统的不考虑结构抗震性能时变性的评估方法已不适应结构服役周期设计的要求。随着建筑工程领域全寿命设计理念的不断发展，以概率分析为基础的建筑结构全寿命的时变可靠度必将成为今后评估结构抗震性能的重要理论方法。结构抗震性能总是朝不断恶化的方向发展,且不可逆。对既有结构如何准确评价其抗震性能，如何对其剩余寿命作出预测，如何维护，对新建结构如何保证在其使用年限内安全，已成为一个迫切需要解决的问题。

3 考虑结构抗震性能退化的设计方法

已有的设计方法均假定结构在使用年限内可靠度不发生变化，不考虑结构抗震性能随服役年限的退化。因此在结构投入使用时，结构各项性能指标均能满足抗震需求，但随着服役年限的增加，建筑物的安全可靠度不断衰减且无法预测。

可见，对新建结构有必要对结构设计方法进行调整。在结构设计之初，应充分考虑环境对建筑物抗震性能的影响，以保证结构在使用年限内均能满足使用功能和抗震需求。同时，需要对影响耐久性的设计因素适当调整，如混凝土构件的钢筋保护层厚度与钢材防锈漆对钢材的起锈时间的控制作用，还需考虑经济效益，达到安全性与经济性。设计人员在方案设计时应考虑到，即使结构抗震性能随时间推移而劣化，但劣化后的结构性能仍能满足抗震需求。加强结构监护意识，对不满足抗震需求的结构及时加固。

4 结论

1）综述了结构抗震设计方法的发展过程，经历了基于力的设计方法到基于损伤的设计方法。

2）已有的结构设计方法均未考虑到结构抗震性能随时间的退化，不能对既有结构的抗震性能进行评估。

3）对现有结构设计方法提出改进意见,对影响结构耐久性的设计因素重点考虑，达到安全性与经济性的平衡，保证即使结构抗震性能退化后仍能满足抗震需求，对既有结构加强监护，及时加固。

[1]Newmark N.M.,Hall W.J..Earthquake Spectra and Design [M].Earthquake Engineering Research Institute,Berkeley, CA,1982.

[2]Moehle J P.Displacement based deign of RC structure[C]. Eerva A.Proceedings of the 10th World Conference on Earthquake Engineering(WCEE)，Mexico,1992.

[3]程光煜.基于能量抗震设计方法及其在钢支撑框架结构中的应用[D].清华大学,2007.

[4]Whitman R V，Reed J W，Hong S T.Earthquake damage probability matrices[A].Proceedings of the Fifth World Conference on Earthquake Engineering[C]，Rome，Italy，1973:2531～2540.

[5]Park Y J，Ang A H.Mechanistic seismic damage model for reinforced concrete[J].Journal of Structural Engineering, 1985,111(4):722～739.

[6]郑怡,刘明.土梓涵等.轴压情况下考虑抗力退化的既有配筋砌块砌体时变可靠性分析[J].中国水运,2008,8(2):54～56.