浅谈现代建筑结构设计抗震设计方法
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
0 引言
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。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。性能是一个宏观概念，不同于力或位移这样明确的物理概念，无法作为设计变量直接运用到抗震设计中，其更多是与建筑物的破坏程度相关联，而建筑物的破坏程度则可以用力、位移、能量、损伤等反应参数来表
示，故基于性能的抗震设计是比基于承载力或基于位移等抗震设计更为广义的设计理念，目前进行的针对基于位移、基于能量、基于损伤等抗震设计方法的研究均以基于性能的抗震设计为主导思想。
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。另外对设计地震力—延性联合控制准则的核心内容r μ关系相关问题也展开了更广泛的研究：如把r μ关系与周期t联系起来，全面考虑震级、震中距和场地条件以及滞回性能的分析结果，提出针对不同延性水准和各类结构模型且与周
期相关的r μ t 关系。考虑结构中存在的材料超强和整体超强效应，在某种程度上提高了结构的屈服水准或相当于减小了r值，寻找其对r μ规律的定量影响程度。
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。基于能量抗震设计方法能够考虑结构滞回变形对结构破坏影响的这一特点对于实现基于性能的抗震设计理念很有意义，因此基于能量的抗震设计方法的研究对实现基于性能的抗震设计理念的进一步发展非常重要，成为了改进传统抗震设计方法的重要发展方向。
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。基于能量的抗震设计方法与其它抗震设计方法相比，可以有效地考虑地震动持时对结构累积损伤破坏，并有概念明确、形式简单等特点，具有明显的优越性。但由于以上提到的这些问题，结构抗震设计的能量方法距离实际运用还有很长一段路要走。
1.3 基于损伤的结构抗震设计
1.3.1 基于损伤的结构抗震设计的方法概述
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。
由于损伤指数的计算以结构累积滞回耗能的计算为基础，而累积滞回耗能计算正是结构能量分析中的重点，所以也可以将基于损伤的设计方法视为能量法结合了性能设计思想的延伸应用方法。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。
1.5基于性能的结构抗震设计
1.5.1 基于性能的抗震设计概念
组织对基于性能抗震设计的描述是“性能设计应该是选择一定的设计标准，恰当的结构形式、合理的规划和结构比例，保证建筑物的结构与非结构的细部构造设计，控制建造质量和长期维护水平，使得建筑物在遭受一定水平地震作用下，结构的破坏不超过一个特定的极限状态”。atc 组织对基于性能抗震设计的描述为“基于性能抗震设计是指结构的设计标准由一系列可以取得的结构性能目标
来表示，主要针对混凝土结构并且采用基于能力的设计原理”。fema 对基于性能抗震设计的描述为“基于不同强度地震作用，得出不同的性能目标。
1.5.2 基于结构性能抗震设计的研究现状和应用前景
基于结构性能的抗震设计理论尚不成熟，要广泛应用于设计还存在一定的困难，尚需对以下问题展开研究：
①在地震危险性方面，要实现由烈度向地震动参数区划的过渡，按重现期或超越概率重新定义地震危险性水平。
②在结构性能方面，以结构性能为基础提出抗震设防水准，定义不同结构的性能目标。对于结构“不坏”、“可修”、“不倒”等模糊的定义，采用量化数据或具体化的定性数据来描述，例如对结构和非结构构件破坏的数量和程度等。
③研究和建立结构功能失效标准和结构破坏标准，将目前的以分项系数表述的极限状态表达式过渡到以可靠度指标来描述。
基于结构性能的抗震设计理论是以结构抗震性能分析为基础的结
构设计，是设计理念上的一次变革，涉及结构抗震设计的各个方面，对工程结构的设计和发展具有重大意义。利用该理论进行结构抗震设计，可充分发挥工程师的主动性，满足人们对结构性能的不同要求。从各国抗震设计规范修订动向来看，可以说基于性能的结构设计是21 世纪抗震设计规范的趋势。
2 结构抗震设计方法比较
2.1概述
目前研究探讨的几种抗震设计新方法之中，基于性能的抗震设计最为引人瞩目。它作为一套更深更新的设计理念能够涵盖以力、位移、能量等物理量为结构反应参数的设计方法，被认为是未来抗震设计的主要发展方向。本章从基于性能结构抗震设计与现行规范设计方法的对比入手，对两者的设计思想、设防目标、抗震设计过程、抗震性能评估等方面来进行系统的比较分析，基于位移、能量、损伤等抗震设计方法与现行规范采用的方法在思路原理、控制指标、破坏准则和地震作用计算过程上的异同，放在抗震设计过程比较里进行讨论。
2.2 结构抗震性能水平
结构抗震性能水准表示了结构在特定的某一地震设计水准下预期
破坏的最大程度，结构和非结构构件破坏以及因它们破坏引起的后果，主要用结构易损性、结构功能性和人员安全性来表达。对于不同等级的抗震性能，都应该根据结构类型及结构体系、竖向和横向承载构件、结构变形、设备与装修、修复使用等方面加以定义，应
该表达为量化指标，以便工程设计和评估。我国规范中的提法“不坏”、“可修”、“不倒”其实就是对结构在地震作用下的性能水平的描述，具体叙述为“小震”对应一般不受损坏或不需修理可继续使用水平；“中震”对应可能损坏，经一般修理或不需修理仍可继续使用；“大震”对应不致倒塌或发生危及生命的严重破坏。这一提法已经包含了一定的性能设计思想，只是对性能水平的描述比较模糊，水平之间的界定不明确，在实际设计中很难实现对结构性能的有效控制。
2. 3 结构的抗震性能目标
结构的抗震性能目标是指建筑物在各设计地震水准下期望达到的相应性态水准集合，应依据建筑物的重要性分类，结合社会、经济因素和业主意愿综合确定。三级性能目标与按重要性划分的三类建筑一一对应，取每级地震作用水准下的最低性能要求组合作为该类结构的规定最低性能水准目标。并且设计师也可以根据实际情况和业主要求提高目标性能水平进行结构设计，在一个或多个设计地震作用水准上选择更高的性能目标，虽然在一定程度上会提高建筑造价，却能减免以后可能会产生的损失。这种性能目标的制定方式充分体现了基于性能抗震设计的自主性和灵活性。
2.4 两种方法的设计过程
建筑结构基于性能要求的抗震设计多了以下几个步骤：性能目标的确定、抗震措施与计算分析方法的选择及目标评价等。性能目标的确定因素中多了业主决策和非结构构件分级性能水准。选择抗震设
计（分析）方法也是基于承载力力的抗震设计过程中所没有的，通过不同的抗震性能水准量化数值对应了不同的结构反应参数和抗震设计准则，因此可以选择基于不同的结构反应参数的抗震分析方法。并且在设计完成后，基于承载力的抗震设计只对结构进行层间位移验算是否满足限值，而性能设计则需要对结构的地震反应性能水平进行全方位的检验和评估。
2.5 抗震措施比较
现行规范规定的构件截面的抗震构造措施，主要是根据结构类型和重要性、房屋高度、地震烈度、场地类别等因素确定，是对结构抗震性能水准的宏观定性控制，而不是对具体的结构性能和震害损失的定量描述。设计人员只需要按照规范采取对应的抗震构造措施，而在采取了这些措施以后结构在地震时的性能状态具体如何，设计人员并不能准确把握。这种做法的经济性和合理性都不足。基于性能的抗震设计是把结构在一定强度地震作用下的变形需求与抗震措施对应了起来，通过对构件截面进行变形能力设计，使结构具备与预期性能水平相符的变形和耗能能力，从而达到目标性能水平。这样使得结构的性能目标要求与抗震措施联系起来，是一种具体对应的定量的抗震措施。由于通过设计人员主动选择抗震措施来保证结构达到预期的抗震性能，因此对结构在未来地震时的整个反应过程比较清楚。这样制定抗震措施成为性能设计的重要组成部分，需要在设计的一开始确定性能目标时就考虑进去。
3 结论与展望
3.1 主要结论
本文通过按照我国抗震规范规定的抗震设计方法和基于性能的抗震设计方法分别对同条件不同烈度区的五层框架结构进行设计。通过对抗震设计方法的对比分析得到如下结论：
①目前规范采用的抗震设计方法的“小震不坏，中震可修，大震不倒”目标具有了一定性能设计理念，但没有具体量化，并且业主及设计者也没有自主选择设防水准的权利；而基于性能的抗震设计方法的目标确定多级化、个性化，设计者和业主拥有一定范围内的自主选择决定权。
②基于性能的抗震设计基于可选不同的结构反应参数控制指标，从而对应采用不同的设计准则，按不同的抗震分析方法来进行结构反应计算分析和设计，考虑角度更为全面，分析方法考虑了结构的在中等及强烈地震下的弹塑性反应，与实际情况更加符合。
③基于能量和基于损伤的抗震设计方法通过非线性时程分析来确定结构的地震作用，地震动的持时特性对结构塑性累积损伤的影响通过结构构件的滞回耗能来体现，对结构地震反应的计算更为准确，能够解决基于承载力设计方法的一些固有不足之处。
④基于位移的抗震设计方法采取位移变形作为结构性能控制指标能够较好地实现基于性能的抗震设计思想，位移作为初始设计变量来转化为结构的设计地震作用使得结构的性能反应从一开始就在设计者的掌握中。
3.2 展望
抗震设计方法理论是一个非常庞大和复杂的课题，涉及面非常广泛，本文对这一理论的研究由于时间和能力的有限还不够深入和细致。在未来的研究中，还有许多方面需要进一步的探讨：
①在对不同抗震设计方法里设计地震作用水准的确定和划分的进
行比较时还应该对其所采用的地震危险性分析方法和地震动参数
分区划分情况等方面进行分析和比较。
②对取不同设计参数来进行设计的抗震方法待研究进一步成熟完
善之后，应当就破坏准则、地震破坏模型以及各自实际设计应用中的控制效果进行更为详细深入的实例比较。
③对不同抗震设计方法的比较还处于设计目标和分析方法比较的
阶段，今后还应扩展到对结构的整个生命周期的使用效果和投资效益比较，以综合权衡各方法的长处与缺陷。
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