基于地震損傷性能的鋼筋混凝土結構設計

程昌明

摘要：隨著經濟的發展，人們對建筑的要求逐漸提高，2008年我國四川汶川地震的發生促使將基于地震損傷性能的鋼筋混凝土結構設計有推上了一個新的高度。基于這種現實情況，本文以建筑在地震發生時損傷情況的界定為研究基點，分析了有關于地震損傷的性能目標，并研究了基于地震損傷性能的鋼筋混凝土結構設計方法，完善了建筑在抗震方面的結構設計。

關鍵詞：鋼筋混凝土結構；地震損傷；損傷計算方法；設計方法

前言：目前的鋼筋混凝土結構設計基本可以保證建筑在地震中屹立不倒，減少建筑因二次坍塌給人們生命財產安全帶來的威脅，然而，很多建筑在地震災害后在建筑結構上卻存在很大程度的損傷，導致在災后重建的過程中，絕大多數建筑都難以根據以前的結構進行修復，進而失去其應有的使用功能，帶來不必要的損失。

1、建筑在地震發生時損傷情況的界定

在地震災害發生時，建筑的內部結構會在地殼相互擠壓的作用下發生變形或扭曲，為建筑帶來根本上的傷害，這種傷害是可以由等級進行劃分的，大體上可以分為以下幾個等級：一級，建筑結構基本完整，主要表現在建筑墻體或承重設施出現比較細小且不連貫的裂縫，對建筑的基本使用功能沒有太大的影響，只需要對建筑做局部的加固便可以恢復使用；二級，建筑結構發生輕微損壞，主要表現在建筑墻體或承重設施出現相對連貫的細小裂縫，有時會出現墻體脫落現象，這種情況同樣對建筑使用功能沒有嚴重影響，在修復上也比較容易；三級，建筑結構發生中等破壞，主要表現在建筑墻體或承重設施出現連貫且巨大的裂縫，一些部位的混凝土破損，露出建筑內部的鋼筋結構，這種情況的建筑一般很難對其進行修復；四級，建筑結構發生嚴重破壞，主要表現在建筑墻體坍塌，承重設施出現塌陷或嚴重損害，這種情況下的建筑基本功能已經喪失，無法對其進行修復；五級，建筑基本倒塌，主要表現在建筑基本構建完全喪失作用，建筑整體性倒塌，建筑內部的主要構件基本損毀，無法進行修復[1]。

2、有關于地震損傷的性能目標

現階段，我國對建筑抗震結構的要求主要遵循“三水準”的性能目標，即“小震不壞、中震可修、大震不倒”的設計原則，具體的實現方法主要分為兩步，在建筑建造的過程中對小震情況下進行強度驗算、大震情況下進行變形驗算，然而理論上的檢驗目標不能完全符合實際地震中的情況，并且雖然中震可修的目標構造措施可以保證，但是大地震情況下的多次余震對建筑產生的疲勞性損傷卻不能夠保證建筑不發生倒塌事故，因此，想要使建筑完全符合抗震的設計要求與結構標準，使其更加具有靈活性與合理性，就需要現階段在我國建筑行業內普遍得到認可的建筑結構設計規范標準，此性能目標的相關指數為一般的建筑結構在在較小地震災害發生時，可以出現的損傷指數為0到0.25，中震發生時損傷指數為0.25到0.50，大震發生時損傷指數為0.50到0.90。

3、基于地震損傷性能的鋼筋混凝土結構設計方法

3.1地震損傷直接與變形驗算法

現階段，我國在鋼筋混凝土結構建筑在地震災害中發生損傷的性能方面，大體上可以分為地震直接損傷與變形兩種比較科學實用的驗算方法[3]。在相關地震損傷性能目標方面，我國在近年來提出了“三水準”這一專業規定，該規定是根據我國客觀的社會與自然條件制定的，符合社會的發展需要，因此，根據這一文件，鋼筋混凝土結構建筑的設計方法可以參照以下意見：其一，針對普通結構的建筑可以根據《現行建筑結構抗震設計規范》對相關的數據資料進行直接與變形方面的驗算；其二，針對特殊地震，可以根據地震薄弱層進行相關的地震直接與變形損傷方面的驗算。普遍意義上講，建筑在損傷計算時，其數值應該不大于0.9，重要結構建筑的地震損傷系數不大于0.5。以上提出的地震損傷系數是指建筑結構在特殊地震發生時，所產生的薄弱層地震損傷值。

3.2 Pushover 分析

Pushover 分析方法的基本原理是基于兩個原則：第一個為假設原則，其主要內容是通過假設的方式，將一個相對復雜的多元化體系進行簡化，將其假設成為一個相對簡單的但模式體系，以方便進行接下來的分析；第二個原則是可以用形狀向量來代替建筑結構以建筑高度為標準而產生的對應變形，因為建筑變形是變化較強烈的參數，而形狀向量的變化幅度相對穩定，對接下來的分析有利。

Pushover 分析法的分析過程可以有以下幾方面組成：首先是前期準備工作，主要內容是構建起一個與將要施工的建筑在形狀、尺寸、參數、要件等方面相一致的建筑模型，用以進行建筑的施工的前期科學分析；其次，根據計算公式求出地震效應在結構上作用的荷載，其符合主要分為兩個方面，即結構的豎向荷載和水平荷載，并計算的出各個構件的極限承載力；第三，求得結構在豎向荷載作用下產生的內力從而得出結構的自振周期；另外，在實驗過程中，在建筑模型中施加水平荷載，利用這種方式，將建筑模型的水平與垂直內力進行疊加處理，并確保疊加后的內力能夠達到一個相對平衡的狀態；在此之后，對屈服的構件，改變其狀態，并將屈服的構件的兩端設成鉸接點，這樣就形成了一新結構，也使用上述同樣的方法求出新結構的自振周期，然后在建筑模型的相關要件上根據內力的情況施加水平荷載，繁復與建筑內部的內力進行疊加，直到實驗出一個剛好平衡的狀態；最后，重復以上實驗步驟，使建筑內部的側向位移達到一個極限值。在實驗過程中，準確記錄每一次施加的荷載和自振周期，最終得到外力與結構位移的關系曲線。

結語：通過本文以上的分析研究，筆者主要探討了地震震害等級和建筑損傷指數，為進一步研究奠定了基礎，隨之又研究了我國對建筑的相關規定和建筑標準，最后分析了目前我國最常用的基于地震損傷性能的鋼筋混凝土結構設計方法，以上的研究真實的反映了我國實際防地震混凝土結構設計的標準和設計方法，并且在不同的地震情況中運用不同的計算方法，保證了計算數據的準確性。

參考文獻：

[1]楊偉，王彥凱，趙新宇，等.鋼筋混凝土結構損傷性能設計及整體抗震能力分析[D].哈爾濱工業大學，2010.

[2]宋鵬彥，李永清，任東宇，等.結構整體可靠度方法及RC框架非線性整體抗震可靠度分析[D].哈爾濱工業大學，2012.endprint