浅析钢结构方面基于性能的抗震设计

李玥（新郑市住房和城乡建设局）

浅析钢结构方面基于性能的抗震设计

李玥
（新郑市住房和城乡建设局）

社会的发展，人们对大型工程的抗震设计要求逐渐提升，我国引入世界上关于钢结构方面基于抗震性能设计的思想，研制出了一套适用于我国设计规范的钢结构方面基于性能的抗震设计方法。这一方法渐渐成为将来工程抗震的新趋势。其综合考虑了地震风险、投资能力以及建筑功能等重要因素，采用弹塑性及弹性的方法和抗震结构体系分析不同水准的地震情况下的部件受力与变形、评估结构的抗震性能。

钢结构；性能设计；抗震设计

引言

每一次大地震的发生，几乎都会给国家及人民的财产安全、生命安全带来极大的威胁。目前，各地城市化的进程加快，城市建筑越来越高，人口也越来越密集。而这些人口密集的地区如果发生强烈地震，将造成不可预计的人员伤亡与财产损失。发生在尼泊尔的8.1级大地震，据统计死亡人数高达数千人，90%多的建筑物被损毁。长期以来，人类社会对于地震的研究从未停止过，但是由于地震在检测及预报上存在一定困难，目前依然没有找到有效预警地震的方法。以往大量数据证明，地震中的人员伤亡绝大部分是由于建筑倒塌所导致的。因而，我们要尽可能做好建筑抗震的设计，以期减轻地震对建筑结构带来的破坏。在实际的工程设计过程中，设计者通过选用好的建筑材料、研究更完善的抗震设计方法来提升建筑物的抗震性能。

1　钢结构方面的抗震优势

目前的工程建设中大多采用钢筋混凝土和砌体结构，但是这种结构都存在着自重大、地震的耗能效果差的缺陷。从汶川大地震后的现场可以看出，坍塌的建筑物类型大多以砌体结构为主。砌体和混凝土等这些脆性材料其本身延展性小、构件之间为刚性连接，所以这一类型的结构在地震的作用下变形小，无法充分地吸收地震的能量。大多数砌体建筑结构的自重相对较大，构件间连接薄弱，缺乏构造柱、圈梁等一些抗震结构。这类建筑物在地震中容易发生坍塌造成大量的人员伤亡。

钢结构与砌体结构相比在抗震性能方面拥有很大的优势。因为钢结构强度很大，在相同的荷载力下，其自重轻的优点越发明显。轻质高强这一特点使钢结构即使在发生地震时也不会由于自重问题而导致建筑结构发生断裂现象。钢材是匀质性和各向同性好的材料，很符合材料关于力学的假定，其计算出的结果和实际的受力较为匹配。因而，钢材料在一定量的荷载范围内能够保持较好的弹塑性而不变形。也不会由于偶然的超载而产生脆性破坏。除此之外，钢结构具有良好的韧性，这一特点使得钢结构在荷载力作用下展现出其它结构所不能比拟的适应能力。通过刚弹性钢结构构成的整体，能够对抗较大幅度的变形，有效充分地消耗地震所带来的能量，是一种延展性良好的结构。因此，钢结构非常适合用于地震频发地带的建筑建造。

面对多样的结构类型，当前我国对于抗震设计的规范均采取一致的分析方法，并没有对不同建筑结构类型采用针对性抗震性能的计算。随着我国钢铁产量的提高，钢结构的发展日益快速，越来越多应用于建筑中去。从目前的钢结构建筑的发展要求看来，钢结构方面基于性能的抗震设计原理及方法的深化和改善势在必行。

2　抗震设计思想

美国加州大学的J.P.Moehle最早提出基于性能的抗震结构这一设计思想。其核心是满足建筑在使用期限之内的各项预定功能指标，然后确定抗震设计的目标及方法。基于性能这种抗震设计方法是对传统的抗震设计的进一步细化，为发展建筑工程的抗震计算这一领域带来了新的契机。相较于传统抗震设计办法，基于性能的抗震设计指出多目标控制的方法，有很强的可预见性，为人们在抗震标准上提供了更多的选择。

在评价建筑抗震性能的物理量当中，除了力、加速度、位移之外，还要包括损伤程度及能量的量化描述。但是因为力的指标没办法全面描述结构破坏损伤以及非弹性状态，在实际应用当中能量指标又存在困难，所以目前这一抗震研究主要是在基于位移的设计方法上。

随着时代的发展进步，人类对建筑的需要变得多样化，抗震设计的标准也逐渐提高，更加注重建筑在地震时能够保证其功能的正常使用。随着计算机在工程计算中的应用，抗震的设计理论及其方法日趋成熟，我国也开始把眼光从传统抗震设计转向基于性能的抗震设计这一理论中去。极大促进了我国建筑的发展，有效保障了受地震威胁的人民的生命财产安全。

3　基于性能的抗震设计方法

3.1Pushover分析方法

Pushover分析方法是从能力普法不断发展而来的。这一分析方法是一种弹力的弹塑性方法，通过这种方法能够得出建筑结构在弹塑性下的变形值与强度值，还能够找出建筑结构的薄弱环节。这一方法是对其中某个建筑结构施加递增的荷载力，是它到达给定的目标位移，通过这种方式来分析结构的变形能力及其破坏过程。换一句话说，Pushover分析方法是把多自由度体系变为相等效应的单自由度体系，且通过这一体系来研究建筑结构的整体承载力。目前Pushover分析方法已经成了抗震性能设计的重要工具之一。

因为基本假定，Pushover分析方法更加适用于第一振型结构中，且选取水平加载模式也会对计算的结果产生较大影响。2008年，工程师葛杰把钢结构的高层及多层框架结构在罕见地震和多见地震的作用下分别进行了Pushover分析，多方面评估建筑结构的抗震能力，论证了这一方法在钢结构中抗震计算的可行性和可靠性。

3.2增量动力的分析方法

增量动力分析方法是指将地震波幅值进行不断调整，对建筑结构的分析由弹性阶段变为屈服阶段，再从弹塑性阶段进入到最终的结构破坏的状态。即不稳定状态。在这过程中，要进行大量非线性动力的分析。在地震等级不同的情况下，此方法可以体现结构的相应抗震性能，包括结构刚度、强度以及变形过程。

在这一方法实施过程当中，应该选择有代表性的几条地震波，确定了地面烈度及结构状态的变量后，调整地震的加速度进行分析，得出的结果曲线便是增量动力分析的曲线。对这一曲线的分析研究可以采用能力和需求系数法进行评估。经研究，增量动力分析方法能够和Pushover分析方法结合使用，这样便能够更为有效的评估钢结构基于性能的抗震能力。

3.3蚁群优化方法

蚁群算法率在20世纪90年代由学者Colorni，M.Dorigo和V.Maniezzo提出。这一算法来源于蚂蚁仿生学研究，在蚂蚁之间的信息传递是通过激素进行的，这种信息传递的方法使蚁群形成一条能够通往食物的最佳路线。而当这一最佳路线出现障碍时，其也可以快速找到新的路线。通过这一研究得出结论：当某一个路线有很多蚂蚁通过时，就会有更多的蚂蚁会选择这一路线。

2010年，Kaveh等人采用这一方法进行钢结构抗震性能的设计。他们利用计算机的程序，采取非线性分析法，最终得出钢结构在各种类型地震下的动力响应，证实了蚁群优化方法较之其它方法更适合解决这类优化问题。

4　结语

钢结构与一般的砌体结构、混凝土结构相比较，其拥有轻质高强、抗震性能好、施工速度快及回收率高等几大优点，可以用于空间大、跨度大的公共建筑、高层住宅楼及工业厂房的修建。目前，我国正处于经济快速发展时期，钢结构必然会成为今后建筑结构的主流形式。另外，近些年来，在大型的工程中基于性能的抗震设计的应用越来越多，这一设计方法也将会成为今后建筑工程结构抗震领域的新形势。因此，在对钢结构方面基于性能的抗震分析研究中可以得出两点结论：

（1）较之传统的抗震设计理论，基于性能的抗震设方法提出了更加高的要求，它充分考虑了建筑投资能力、功能及地震风险水平等诸多重要因素，需采取不一样的抗震体系及方法对建筑结构抗震能力进行分析评价，如此需用更为复杂的算法完成目标的控制。因此，在实际工程的应用中还有待进一步优化。

（2）此抗震设计在实际应用中，通常是多种方法相结合，互相验证综合使用，在计算中使结果更为准确。

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

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

TU391

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2015-11-28