基于性能的钢结构抗震设计方法研究

申 晋 益

(西南石油大学土木工程与建筑学院，四川 成都 610500)

基于性能的钢结构抗震设计方法研究

申 晋 益

(西南石油大学土木工程与建筑学院，四川 成都 610500)

随着人们对大型复杂工程抗震设计要求的不断提高，基于性能的抗震设计方法将成为未来工程抗震领域的新趋势。该方法综合考虑地震风险水平、项目投资能力、建筑的功能和重要性等因素，采取不同的抗震结构体系和方法来分析、评估结构的抗震能力。Pushover分析法、增量动力分析法、蚁群优化法等算法的应用，使基于性能的钢结构抗震设计更加精确合理。

钢结构，性能设计，抗震设计方法

0 引言

历史上每一次强烈地震的发生，都会给国家和公民的生命财产安全造成威胁。如今，随着世界各地城市化规模的不断扩大，那些发生在人口稠密地区的地震将造成更可怕的人员伤亡、巨额的经济损失和大量的房屋坍塌。最近发生在2015年4月25日的尼泊尔8.1级强震，已造成该国数千人死亡，仅首都加德满都就有90%的建筑被毁。有经济学家指出，这次地震使尼泊尔国内大量基础设施发生结构性的损坏，使国家经济至少倒退50年。长期以来，人类从未停止过对地震的研究，但地震存在监测和预报上的困难，目前仍然没有有效的地震预警方法。而大量的数据证明，地震造成的人员伤亡，绝大数由房屋坍塌所致。因此，人们只能最大限度地做好建筑物的抗震设防，以减少地震对房屋的结构性破坏。在实际工程中，设计人员通过选择更优的建筑材料和研究更好抗震设计方法，不断地提高建筑的抗震性能。

1 钢结构的抗震优势

目前工程建设中广泛采用的钢筋混凝土结构和砌体结构都存在结构自重大，地震耗能效果较差的缺点。从发生在2008年5月12日的四川汶川大地震的震后灾害中可以看出，垮塌的建筑类型以砌体结构为主。由于混凝土和砌体等脆性材料本身延性小，构件间的连接属于刚性连接，结构在地震力作用下变形很小，不能充分吸收地震能量。大量砌体房屋结构自重大，各构件之间的连接薄弱，缺少圈梁、构造柱等抗震构造措施。这些建筑在地震中突然垮塌时，极易造成严重的人员伤亡。

钢结构和砌体结构相比，钢结构在抗震性能上具有明显优势。由于钢构件的强度很高，在承受相同的荷载条件下，钢结构自重轻的优势越发显著。轻质高强的特点使得钢结构在地震发生时不会因为自重问题导致结构发生断裂。钢材也是接近均质和各向同性的材料，符合材料力学的基本假定，计算结果与实际受力较匹配。因此，钢材可以在一定的荷载范围内保持良好的弹塑性变形，不会因为偶然超载而发生脆性破坏。另外，良好的韧性也使钢结构在动力荷载作用下表现出其他结构不可比拟的适应性。钢结构通过刚弹性连接构成整体，可以抵抗大幅度的变形，充分消耗地震能量，属于良好的延性结构。由于具有以上优点，钢结构十分适合在地震高发地区修建。

面对多样化的建筑结构类型，目前我国的抗震设计规范均采取统一的分析方法，未对不同结构类型采取有针对性的抗震计算。随着国内钢铁产量的不断扩大，钢结构在我国的发展规模日益迅猛，越来越多的钢结构建筑应运而生。从当前钢结构建筑发展的要求来看，钢结构抗震设计理论和方法的进一步深化与完善已势在必行。

2 基于性能的抗震设计思想

基于性能的结构抗震设计最早由美国加州大学伯克利分校J. P. Moehle 提出[1]。其核心思想是根据建筑物在使用期间能满足各项预定功能的要求，确定其抗震设计目标和方法。基于性能的抗震设计的提出，是对传统抗震设计设防目标的进一步精细化，为工程抗震计算领域的发展带来了新的发展契机。相比于传统的抗震设计方法来讲，基于性能的抗震设计提出了多目标控制方法，具有可预见性，带给人们在抗震设防标准上更多的选择空间。有关“多目标的控制方法”的概念主要体现在用户需求、项目投资能力等方面，在多项抗震设计方案比选中，经济指标应纳入参考范围。该方法要求在保障人们的生命安全的前提下，控制经济财产损失量。

在评价建筑物抗震性能状态的物理量中，除了力、位移、加速度以外，还应该有能量和损伤程度的量化表述。基于性能的抗震设计要求计算出在不同地震强度作用下，结构在进入非弹性阶段后，各项性能指标的反映值和结构自身的能力值[2]。由于力的指标无法全方位描述非弹性状态及结构破坏损伤，能量指标又在实际应用中存在困难，目前基于性能的抗震研究主要集中在基于位移的抗震设计方法上。早在20世纪90年代，J.P.Moehle 所提出的抗震设计概念正是基于结构在预定地震影响下的变形，旨在控制结构的位移指标。

进入21世纪后，人们对建筑物的使用需求日益多样化，抗震设防的标准也日趋提高，更加注重在地震中保证建筑物的使用功能。随着现代计算机在工程抗震计算领域的应用，抗震设计理论以及方法的日渐成熟，我国的工程抗震设计也开始将目光由传统的抗震设计转投向基于性能的抗震设计理论。我国在2004年颁布了CECS 160∶2004建筑工程抗震性态设计通则(试用)(以下简称《通则》)，为基于性能的抗震设计理论在我国发展开辟了新的道路。《通则》的抗震设计目标以预防为主，对于人口稠密地区的重要建筑应适当地增加其抗震性能，使其在地震时及地震后能够基本保持预定的使用功能，将地震对人的生命和财产危害降到最低[3]。

3 基于性能的钢结构抗震设计方法

3.1 基于Pushover分析方法

Pushover分析方法由能力谱法经过不断地发展而来，最早是由Freeman等人[4]提出。Pushover分析方法是一种静力弹塑性方法，利用这种方法可以得到结构在弹塑性状态下的强度值和变形量，也可以发现结构在动力影响下的薄弱环节。该方法是对某个结构施加单调递增的水平荷载，使其达到一个给定的目标位移，以此来分析结构的非线性变形能力以及破坏过程[5]。换言之，基于Pushover分析是将一个多自由度体系转化为等效的单自由度体系，并利用等效单自由度体系研究整体的承载力。随着基于性能的抗震设计方法的不断发展，Pushover分析方法已成为基于性能设计的重要工具。

由于Pushover分析方法的基本假定，该方法更适合于以第一振型为主的结构，并且水平加载模式的选取也对计算结果有较大影响。2008年，葛杰[5]将钢结构的多层和高层框架结构分别在多遇和罕遇地震作用下进行Pushover分析，对结构的抗震性能进行多方面的评估，验证了Pushover分析方法在钢结构框架抗震验算的适用性和可靠性。另外，在与反应谱分析法和时程分析法的比较中，他发现Pushover分析方法更宜在多层钢结构中使用。

3.2 增量动力分析方法(IDA)

增量动力分析(IDA)是将各条地震波的幅值不断进行调整，对结构的分析从弹性阶段到屈服阶段，再由弹塑性阶段最终进入结构破坏状态，即整体不稳定状态[6]。在这一过程中，进行大量的非线性动力分析。在不同的地震等级情况下，该方法能够体现出结构相应的抗震能力，包括结构的强度、刚度和变形过程。

在IDA方法的实施过程中，首先应该选取具有代表性的数条地震波，在确定地面烈度和结构状态变量后，通过调整地震加速度进行时程分析，得出的时程分析结果曲线就是IDA曲线。对于该曲线的分析可以利用需求和能力系数法进行性能评估。研究表明，IDA方法可与Pushover分析法相结合使用，以更加有效地评估钢结构的抗震性能。2013年，李成[6]对某6层钢结构框架进行了增量动力分析，得出了IDA曲线，他还发现该方法可用于位移放大系数和结构延性系数等方面的研究。

3.3 蚁群优化法(ACO)

20世纪90年代初，蚁群算法率先由意大利学者M. Dorigo，V. Maniezzo和Colorni提出[7]。这种算法源于对蚂蚁的仿生学研究，蚂蚁相互之间通过激素传递信息，使得蚁群总能形成一条通向食物的最优路径。当原有路径上出现障碍物时，蚁群也能很快重新找到新的路径。通过研究蚁群的行为，人们得出结论：当某条路径有越多的蚂蚁走过，就将会有更多的蚂蚁选择该路径。从M.Dorigo首次提出蚂蚁算法到目前为止已有二十多年，大量的文献证明该算法是解决组合优化问题的有效工具。

2010年，Kaveh等人[8]利用蚁群优化法(ACO)对钢结构进行了基于性能的抗震设计。他们通过计算机程序，采用非线性分析得出钢结构在各类地震情况下的动力响应，证明蚁群优化法与其他算法相比，其离散的数学运算更适合解决此类优化问题。

4 结语

钢结构与一般的钢筋混凝土结构、砌体结构相比，凭借轻质高强、施工速度快、抗震性能好和回收率高等优点，可修建大空间、大跨度的公共建筑、工业厂房和多高层住宅楼，其发展具有广阔的空间。我国正处在社会经济高速发展的时期，钢结构势必将成为未来主流的房屋结构形式之一。另一方面，近年来基于性能的抗震设计方法在大型复杂工程中的应用也越来越多，该设计方法将成为未来工程抗震领域的新趋势。因此，在对基于性能的钢结构抗震设计方法的研究中得出以下结论：

1)由于基于性能的抗震设计方法较传统的抗震设计理论提出了更高的要求，其考虑了地震风险水平、投资实力、建筑功能和重要性等诸多因素，需要采取不同的抗震结构体系和方法来分析、评估结构的抗震能力，这种基于“投资—效益”[9]的准则需要更加复杂的优化算法来完成目标控制。较常见的有关于耗能减震钢结构基于性能的抗震设计方法研究，但和传统的抗震设计方法相比，基于性能的抗震设计方法在实际工程应用中还需要进一步的优化。

2)基于性能的抗震设计方法在实际使用中，往往是多种方法综合利用，各类方法可相互验证，这种在计算中的优势互补可使结果更加精确合理。例如增量动力分析法计算时，就可与Pushover分析方法结合使用，能够更加有效地评估建筑物的抗震性能。

[1] 彭观寿,高轩能.基于性能的钢结构抗震设计理论与方法[J].钢结构,2007,22(1):49-54.

[2] 王春浩,陕吉禄.耗能减震钢结构住宅设计体系初探[J].中国住宅设施,2011(7):51-53.

[3] CECS 160∶2004，建筑工程抗震性态设计通则(试用)[S].

[4] Freeman, Moghadam AS. Pushover Procedure for seismic analysis of building [J].Progess in Structural Engineering and Materials,1998,1(3):337-338.

[5] 葛 杰.基于Pushover方法的多高层钢结构的抗震研究[D].哈尔滨:哈尔滨工程大学,2008.

[6] 李 成.钢结构的增量动力分析(IDA)方法与应用[J].煤炭技术,2013,32(1):135-137.

[7] 胡小兵,黄席樾.蚁群优化算法及其应用[J].计算机仿真,2004,21(5):81-85.

[8] Kaveh,B.Farahmand Azar,A.Hadidi,et al.Performance-Based Seismic Design of Steel Frames Using Ant Colony Optimization [J].Journal of Constructional Steel Research,2010,66(4):566-574.

[9] 汤统壁.耗能减震钢结构基于性能的抗震设计方法研究[D].广州:广州大学,2007.

Performance-based seismic design method study for steel structures

Shen Jinyi

(SchoolofCivilEngineeringandArchitecture,SWPU,Chengdu610500,China)

As the advancing of seismic design requirements of large complex project, the performance-based seismic design method will become the new tendency in the field of future anti-seismic engineering. This method comprehensively considers the principal elements such as earthquake risk level, project investment capacity, function and materiality of building, etc. It analyzes and assesses the seismic resistance of structures by taking different seismic structure system. The application of algorithms such as Pushover Analysis, Incremental Dynamic Analysis, Ant Colony Optimization makes performance-based seismic design method of steel structure more accurate and reasonable.

steel structure， performance design， seismic design method

2015-05-08

申晋益(1988- )，男，在读硕士

1009-6825(2015)17-0016-02

TU352.11

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