论文部分内容阅读
摘要：而随着现代社会的发展，抗震设计不仅要防止建筑物倒塌破坏，还需要根据建筑物的用途和重要性有效控制其破坏状态。这就对抗震设防目标提出了多级化要求。本文介绍了多个抗震设计方法，并对这些设计方法进行了比较。而基于性能的抗震设计方法正是为解决这个问题而提出的，是本文的主要设计方向。
关键词：建筑结构抗震设计方法发展方向
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。根据结构抗震设计变量不同再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。
从抗震设防目标的角度来看，目前的抗震设计方法归根结底还是以保护生命安全为单一设防目标。而随着现代社会的发展，抗震设计不仅要防止建筑物倒塌破坏，还需要根据建筑物的用途和重要性有效控制其破坏状态。这就对抗震设防目标提出了多级化要求，基于性能的抗震设计方法正是为解决这个问题而提出的。
1现代建筑结构抗震设计方法研究综述
1.1 基于承载力的结构抗震设计
基于承载力的结构抗震设计，建立在静力分析的理论之上，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。
1.1.1 设计地震作用的确定
在基于承载力的结构抗震设计方法中，设计地震作用取值由设防烈度的地面运动有效峰值加速度考虑放大效应和地震作用效应降低系数的综合影响后得来的，可以用如下公式表示：F =kβIG/R 式中：F—建筑结构总水平地震作用；k—地震系数（不同地震分区所取的相当于设防烈度水准的地面运动有效峰值加速度或地面运动峰值加速度与重力加速度的比值，它反映了不同地区设防烈度地震的强弱）；β —动力放大系数（对应于不同周期的结构反应峰值加速度与地面运动有效峰值加速度或峰值加速度比值的拟合值，它反映了不同周期体系对地震作用的动力放大效应）；
I—建筑重要性系数；
R—地震作用降低系数；
G—结构重力荷载代表值（取恒载和可能与设计地震作用同时出现的活载之和）地震系数k 反映的是不同地区设防烈度地震的强弱，根据各地区不同的地震危险性将其细分为不同地震区域，并对每个地区根据统计结果重现期给出其地震系数。动力放大系数β 反映了不同周期弹性单自由度体系的动力放大效应，它通常是从相对于地面运动有效峰值加速度作归一化处理后的多条弹性加速度反应谱曲线中经归纳和简化后得到的。加速度反应谱是确定的地面运动通过一组阻尼比相同自振周期不同的单自由度体系所引起的各体系最大加速度反应与相应体系自振周期间的关系曲线。
1.1.2 基于承载力结构抗震设计方法的研究现状
基于承载力的抗震设计法作为产生较早的方法，从20 世纪年代中期开始广泛应用，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。考虑到现有的科技水平及设计习惯，弹性加速度反应谱仍是现阶段结构抗震设计计算的最基本依据，研究工作主要集中在结合场地影响、强震观测改进及结构时程分析对加速度反应谱的长周期段进行修正，以求使地震作用计算更加合理准确。
1.2 基于能量的结构抗震设计
1.2.1 基于能量的抗震设计方法概述
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。
1.2.2 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，但还没有形成一个得到普遍认可的理论基础，其谱形模式、谱值影响因素、持时对总输入能量的影响都没有得到更全面的分析，这些还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，目前将时程分析法普遍应用实际抗震设计中的条件还不成熟，而一般结构设计方法方便实用的特点也要求人们探索能量分析的简化方法。
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，即合理的地震作用累积损伤破坏准则。
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方法。基于损伤的抗震设计就是反映结构损伤程度的损伤指数作为设计指标，选取适当的地震损伤模型计算出结构的损伤指数，
验算其是否满足预定的损伤性能目标。
1.3.2 基于损伤的结构抗震设计的特点与研究趋势
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。结构损伤的“三水准”性能目标反映了抗震设防水准和结构功能失效与倒塌限值，区别了不同重要性结构的性能目标，同时提高了结构抗震的功能要求。而且在基于损伤的抗震设计中用到等效位移延性系数，可以不需了解结构在动力荷载作用的时程反应而考虑结构往复弹塑性变形和累积耗能的影响。并从设计开始阶段就引入损伤指标，使损伤指标在设计过程中真正起到控制作用，体现了其方法上的先进性。由于结构的损伤机理较为复杂，许多问题还没有得到很好的解决，如结构的非弹性变形和积累滞回耗能指标确定和计算，损伤指数计算的进一步简化、准确化，结构损伤模型与结构的强度、刚度、延性等设计参数的关系分析，结构损伤谱的确定等。因此，尽管基于损伤的抗震设计方法在理论上有其合理之处，但直接采用损伤指标作为设计指标并不易为广大工程设计人员采用。
1.4 基于位移的结构抗震设计
1.4.1 基于位移的结构抗震设计概述
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。他们不同的差别在于：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。
1.4.2 基于位移的结构抗震设计有待进一步解决的问题
① 按延性要求设计的方法、能力谱法和直接基于位移的方法都是用静力方法去解决在地震作用下的结构设计问题，没有考虑诸如地震持续时间、结构往复弹塑性变形和累积耗能等因素的影响。
② 更深入地研究表征结构性能状态的破损指标与结构位移的关系，有可能为确定结构的目标位移提供更完善和简便的方法。
③ 对能够应用于实际工程抗震设计的位移反应谱尤其是弹塑性位移反应谱的研究还有大量工作要做。
④ 基于位移的抗震设计中采用的静力弹塑性分析方法存在着如何选取合适的水平力分布模式和位移分布模式等问题。
关键词：建筑结构抗震设计方法发展方向
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。根据结构抗震设计变量不同再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。
从抗震设防目标的角度来看，目前的抗震设计方法归根结底还是以保护生命安全为单一设防目标。而随着现代社会的发展，抗震设计不仅要防止建筑物倒塌破坏，还需要根据建筑物的用途和重要性有效控制其破坏状态。这就对抗震设防目标提出了多级化要求，基于性能的抗震设计方法正是为解决这个问题而提出的。
1现代建筑结构抗震设计方法研究综述
1.1 基于承载力的结构抗震设计
基于承载力的结构抗震设计，建立在静力分析的理论之上，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。
1.1.1 设计地震作用的确定
在基于承载力的结构抗震设计方法中，设计地震作用取值由设防烈度的地面运动有效峰值加速度考虑放大效应和地震作用效应降低系数的综合影响后得来的，可以用如下公式表示：F =kβIG/R 式中：F—建筑结构总水平地震作用；k—地震系数（不同地震分区所取的相当于设防烈度水准的地面运动有效峰值加速度或地面运动峰值加速度与重力加速度的比值，它反映了不同地区设防烈度地震的强弱）；β —动力放大系数（对应于不同周期的结构反应峰值加速度与地面运动有效峰值加速度或峰值加速度比值的拟合值，它反映了不同周期体系对地震作用的动力放大效应）；
I—建筑重要性系数；
R—地震作用降低系数；
G—结构重力荷载代表值（取恒载和可能与设计地震作用同时出现的活载之和）地震系数k 反映的是不同地区设防烈度地震的强弱，根据各地区不同的地震危险性将其细分为不同地震区域，并对每个地区根据统计结果重现期给出其地震系数。动力放大系数β 反映了不同周期弹性单自由度体系的动力放大效应，它通常是从相对于地面运动有效峰值加速度作归一化处理后的多条弹性加速度反应谱曲线中经归纳和简化后得到的。加速度反应谱是确定的地面运动通过一组阻尼比相同自振周期不同的单自由度体系所引起的各体系最大加速度反应与相应体系自振周期间的关系曲线。
1.1.2 基于承载力结构抗震设计方法的研究现状
基于承载力的抗震设计法作为产生较早的方法，从20 世纪年代中期开始广泛应用，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。考虑到现有的科技水平及设计习惯，弹性加速度反应谱仍是现阶段结构抗震设计计算的最基本依据，研究工作主要集中在结合场地影响、强震观测改进及结构时程分析对加速度反应谱的长周期段进行修正，以求使地震作用计算更加合理准确。
1.2 基于能量的结构抗震设计
1.2.1 基于能量的抗震设计方法概述
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。
1.2.2 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，但还没有形成一个得到普遍认可的理论基础，其谱形模式、谱值影响因素、持时对总输入能量的影响都没有得到更全面的分析，这些还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，目前将时程分析法普遍应用实际抗震设计中的条件还不成熟，而一般结构设计方法方便实用的特点也要求人们探索能量分析的简化方法。
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，即合理的地震作用累积损伤破坏准则。
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方法。基于损伤的抗震设计就是反映结构损伤程度的损伤指数作为设计指标，选取适当的地震损伤模型计算出结构的损伤指数，
验算其是否满足预定的损伤性能目标。
1.3.2 基于损伤的结构抗震设计的特点与研究趋势
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。结构损伤的“三水准”性能目标反映了抗震设防水准和结构功能失效与倒塌限值，区别了不同重要性结构的性能目标，同时提高了结构抗震的功能要求。而且在基于损伤的抗震设计中用到等效位移延性系数，可以不需了解结构在动力荷载作用的时程反应而考虑结构往复弹塑性变形和累积耗能的影响。并从设计开始阶段就引入损伤指标，使损伤指标在设计过程中真正起到控制作用，体现了其方法上的先进性。由于结构的损伤机理较为复杂，许多问题还没有得到很好的解决，如结构的非弹性变形和积累滞回耗能指标确定和计算，损伤指数计算的进一步简化、准确化，结构损伤模型与结构的强度、刚度、延性等设计参数的关系分析，结构损伤谱的确定等。因此，尽管基于损伤的抗震设计方法在理论上有其合理之处，但直接采用损伤指标作为设计指标并不易为广大工程设计人员采用。
1.4 基于位移的结构抗震设计
1.4.1 基于位移的结构抗震设计概述
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。他们不同的差别在于：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。
1.4.2 基于位移的结构抗震设计有待进一步解决的问题
① 按延性要求设计的方法、能力谱法和直接基于位移的方法都是用静力方法去解决在地震作用下的结构设计问题，没有考虑诸如地震持续时间、结构往复弹塑性变形和累积耗能等因素的影响。
② 更深入地研究表征结构性能状态的破损指标与结构位移的关系，有可能为确定结构的目标位移提供更完善和简便的方法。
③ 对能够应用于实际工程抗震设计的位移反应谱尤其是弹塑性位移反应谱的研究还有大量工作要做。
④ 基于位移的抗震设计中采用的静力弹塑性分析方法存在着如何选取合适的水平力分布模式和位移分布模式等问题。