基于性能的鋼結構抗震設計方法研究

申 晉 益

(西南石油大學土木工程與建筑學院，四川 成都 610500)

基于性能的鋼結構抗震設計方法研究

申 晉 益

(西南石油大學土木工程與建筑學院，四川 成都 610500)

隨著人們對大型復雜工程抗震設計要求的不斷提高，基于性能的抗震設計方法將成為未來工程抗震領域的新趨勢。該方法綜合考慮地震風險水平、項目投資能力、建筑的功能和重要性等因素，采取不同的抗震結構體系和方法來分析、評估結構的抗震能力。Pushover分析法、增量動力分析法、蟻群優化法等算法的應用，使基于性能的鋼結構抗震設計更加精確合理。

鋼結構，性能設計，抗震設計方法

0 引言

歷史上每一次強烈地震的發生，都會給國家和公民的生命財產安全造成威脅。如今，隨著世界各地城市化規模的不斷擴大，那些發生在人口稠密地區的地震將造成更可怕的人員傷亡、巨額的經濟損失和大量的房屋坍塌。最近發生在2015年4月25日的尼泊爾8.1級強震，已造成該國數千人死亡，僅首都加德滿都就有90%的建筑被毀。有經濟學家指出，這次地震使尼泊爾國內大量基礎設施發生結構性的損壞，使國家經濟至少倒退50年。長期以來，人類從未停止過對地震的研究，但地震存在監測和預報上的困難，目前仍然沒有有效的地震預警方法。而大量的數據證明，地震造成的人員傷亡，絕大數由房屋坍塌所致。因此，人們只能最大限度地做好建筑物的抗震設防，以減少地震對房屋的結構性破壞。在實際工程中，設計人員通過選擇更優的建筑材料和研究更好抗震設計方法，不斷地提高建筑的抗震性能。

1 鋼結構的抗震優勢

目前工程建設中廣泛采用的鋼筋混凝土結構和砌體結構都存在結構自重大，地震耗能效果較差的缺點。從發生在2008年5月12日的四川汶川大地震的震后災害中可以看出，垮塌的建筑類型以砌體結構為主。由于混凝土和砌體等脆性材料本身延性小，構件間的連接屬于剛性連接，結構在地震力作用下變形很小，不能充分吸收地震能量。大量砌體房屋結構自重大，各構件之間的連接薄弱，缺少圈梁、構造柱等抗震構造措施。這些建筑在地震中突然垮塌時，極易造成嚴重的人員傷亡。

鋼結構和砌體結構相比，鋼結構在抗震性能上具有明顯優勢。由于鋼構件的強度很高，在承受相同的荷載條件下，鋼結構自重輕的優勢越發顯著。輕質高強的特點使得鋼結構在地震發生時不會因為自重問題導致結構發生斷裂。鋼材也是接近均質和各向同性的材料，符合材料力學的基本假定，計算結果與實際受力較匹配。因此，鋼材可以在一定的荷載范圍內保持良好的彈塑性變形，不會因為偶然超載而發生脆性破壞。另外，良好的韌性也使鋼結構在動力荷載作用下表現出其他結構不可比擬的適應性。鋼結構通過剛彈性連接構成整體，可以抵抗大幅度的變形，充分消耗地震能量，屬于良好的延性結構。由于具有以上優點，鋼結構十分適合在地震高發地區修建。

面對多樣化的建筑結構類型，目前我國的抗震設計規范均采取統一的分析方法，未對不同結構類型采取有針對性的抗震計算。隨著國內鋼鐵產量的不斷擴大，鋼結構在我國的發展規模日益迅猛，越來越多的鋼結構建筑應運而生。從當前鋼結構建筑發展的要求來看，鋼結構抗震設計理論和方法的進一步深化與完善已勢在必行。

2 基于性能的抗震設計思想

基于性能的結構抗震設計最早由美國加州大學伯克利分校J. P. Moehle 提出[1]。其核心思想是根據建筑物在使用期間能滿足各項預定功能的要求，確定其抗震設計目標和方法。基于性能的抗震設計的提出，是對傳統抗震設計設防目標的進一步精細化，為工程抗震計算領域的發展帶來了新的發展契機。相比于傳統的抗震設計方法來講，基于性能的抗震設計提出了多目標控制方法，具有可預見性，帶給人們在抗震設防標準上更多的選擇空間。有關“多目標的控制方法”的概念主要體現在用戶需求、項目投資能力等方面，在多項抗震設計方案比選中，經濟指標應納入參考范圍。該方法要求在保障人們的生命安全的前提下，控制經濟財產損失量。

在評價建筑物抗震性能狀態的物理量中，除了力、位移、加速度以外，還應該有能量和損傷程度的量化表述。基于性能的抗震設計要求計算出在不同地震強度作用下，結構在進入非彈性階段后，各項性能指標的反映值和結構自身的能力值[2]。由于力的指標無法全方位描述非彈性狀態及結構破壞損傷，能量指標又在實際應用中存在困難，目前基于性能的抗震研究主要集中在基于位移的抗震設計方法上。早在20世紀90年代，J.P.Moehle 所提出的抗震設計概念正是基于結構在預定地震影響下的變形，旨在控制結構的位移指標。

進入21世紀后，人們對建筑物的使用需求日益多樣化，抗震設防的標準也日趨提高，更加注重在地震中保證建筑物的使用功能。隨著現代計算機在工程抗震計算領域的應用，抗震設計理論以及方法的日漸成熟，我國的工程抗震設計也開始將目光由傳統的抗震設計轉投向基于性能的抗震設計理論。我國在2004年頒布了CECS 160∶2004建筑工程抗震性態設計通則(試用)(以下簡稱《通則》)，為基于性能的抗震設計理論在我國發展開辟了新的道路。《通則》的抗震設計目標以預防為主，對于人口稠密地區的重要建筑應適當地增加其抗震性能，使其在地震時及地震后能夠基本保持預定的使用功能，將地震對人的生命和財產危害降到最低[3]。

3 基于性能的鋼結構抗震設計方法

3.1 基于Pushover分析方法

Pushover分析方法由能力譜法經過不斷地發展而來，最早是由Freeman等人[4]提出。Pushover分析方法是一種靜力彈塑性方法，利用這種方法可以得到結構在彈塑性狀態下的強度值和變形量，也可以發現結構在動力影響下的薄弱環節。該方法是對某個結構施加單調遞增的水平荷載，使其達到一個給定的目標位移，以此來分析結構的非線性變形能力以及破壞過程[5]。換言之，基于Pushover分析是將一個多自由度體系轉化為等效的單自由度體系，并利用等效單自由度體系研究整體的承載力。隨著基于性能的抗震設計方法的不斷發展，Pushover分析方法已成為基于性能設計的重要工具。

由于Pushover分析方法的基本假定，該方法更適合于以第一振型為主的結構，并且水平加載模式的選取也對計算結果有較大影響。2008年，葛杰[5]將鋼結構的多層和高層框架結構分別在多遇和罕遇地震作用下進行Pushover分析，對結構的抗震性能進行多方面的評估，驗證了Pushover分析方法在鋼結構框架抗震驗算的適用性和可靠性。另外，在與反應譜分析法和時程分析法的比較中，他發現Pushover分析方法更宜在多層鋼結構中使用。

3.2 增量動力分析方法(IDA)

增量動力分析(IDA)是將各條地震波的幅值不斷進行調整，對結構的分析從彈性階段到屈服階段，再由彈塑性階段最終進入結構破壞狀態，即整體不穩定狀態[6]。在這一過程中，進行大量的非線性動力分析。在不同的地震等級情況下，該方法能夠體現出結構相應的抗震能力，包括結構的強度、剛度和變形過程。

在IDA方法的實施過程中，首先應該選取具有代表性的數條地震波，在確定地面烈度和結構狀態變量后，通過調整地震加速度進行時程分析，得出的時程分析結果曲線就是IDA曲線。對于該曲線的分析可以利用需求和能力系數法進行性能評估。研究表明，IDA方法可與Pushover分析法相結合使用，以更加有效地評估鋼結構的抗震性能。2013年，李成[6]對某6層鋼結構框架進行了增量動力分析，得出了IDA曲線，他還發現該方法可用于位移放大系數和結構延性系數等方面的研究。

3.3 蟻群優化法(ACO)

20世紀90年代初，蟻群算法率先由意大利學者M. Dorigo，V. Maniezzo和Colorni提出[7]。這種算法源于對螞蟻的仿生學研究，螞蟻相互之間通過激素傳遞信息，使得蟻群總能形成一條通向食物的最優路徑。當原有路徑上出現障礙物時，蟻群也能很快重新找到新的路徑。通過研究蟻群的行為，人們得出結論：當某條路徑有越多的螞蟻走過，就將會有更多的螞蟻選擇該路徑。從M.Dorigo首次提出螞蟻算法到目前為止已有二十多年，大量的文獻證明該算法是解決組合優化問題的有效工具。

2010年，Kaveh等人[8]利用蟻群優化法(ACO)對鋼結構進行了基于性能的抗震設計。他們通過計算機程序，采用非線性分析得出鋼結構在各類地震情況下的動力響應，證明蟻群優化法與其他算法相比，其離散的數學運算更適合解決此類優化問題。

4 結語

鋼結構與一般的鋼筋混凝土結構、砌體結構相比，憑借輕質高強、施工速度快、抗震性能好和回收率高等優點，可修建大空間、大跨度的公共建筑、工業廠房和多高層住宅樓，其發展具有廣闊的空間。我國正處在社會經濟高速發展的時期，鋼結構勢必將成為未來主流的房屋結構形式之一。另一方面，近年來基于性能的抗震設計方法在大型復雜工程中的應用也越來越多，該設計方法將成為未來工程抗震領域的新趨勢。因此，在對基于性能的鋼結構抗震設計方法的研究中得出以下結論：

1)由于基于性能的抗震設計方法較傳統的抗震設計理論提出了更高的要求，其考慮了地震風險水平、投資實力、建筑功能和重要性等諸多因素，需要采取不同的抗震結構體系和方法來分析、評估結構的抗震能力，這種基于“投資—效益”[9]的準則需要更加復雜的優化算法來完成目標控制。較常見的有關于耗能減震鋼結構基于性能的抗震設計方法研究，但和傳統的抗震設計方法相比，基于性能的抗震設計方法在實際工程應用中還需要進一步的優化。

2)基于性能的抗震設計方法在實際使用中，往往是多種方法綜合利用，各類方法可相互驗證，這種在計算中的優勢互補可使結果更加精確合理。例如增量動力分析法計算時，就可與Pushover分析方法結合使用，能夠更加有效地評估建筑物的抗震性能。

[1] 彭觀壽,高軒能.基于性能的鋼結構抗震設計理論與方法[J].鋼結構,2007,22(1):49-54.

[2] 王春浩,陜吉祿.耗能減震鋼結構住宅設計體系初探[J].中國住宅設施,2011(7):51-53.

[3] CECS 160∶2004，建筑工程抗震性態設計通則(試用)[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方法的多高層鋼結構的抗震研究[D].哈爾濱:哈爾濱工程大學,2008.

[6] 李 成.鋼結構的增量動力分析(IDA)方法與應用[J].煤炭技術,2013,32(1):135-137.

[7] 胡小兵,黃席樾.蟻群優化算法及其應用[J].計算機仿真,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] 湯統壁.耗能減震鋼結構基于性能的抗震設計方法研究[D].廣州:廣州大學,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

申晉益(1988- )，男，在讀碩士

1009-6825(2015)17-0016-02

TU352.11

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