基于性能的鋼筋混凝土建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)方法

【摘要】隨著我國社會(huì)經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，我國現(xiàn)在建筑構(gòu)造中的抗震設(shè)計(jì)更加規(guī)范，利用小震彈性承載力和抗震延性構(gòu)造的辦法進(jìn)一步的完成小震無事、中震能修、大震不會(huì)出現(xiàn)倒塌的終極目標(biāo)。但是對(duì)于不符合要求的超限工程沒有構(gòu)建比較明確的設(shè)計(jì)方案。以性能的構(gòu)造抗震思維為基礎(chǔ)，并且借鑒國外大量使用的抗震設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，融合我國抗震規(guī)范系統(tǒng)的實(shí)際狀況，建立一套符合我國實(shí)際性能的鋼筋混凝土建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)方案。針對(duì)不同情況的地震，對(duì)結(jié)構(gòu)構(gòu)件的承受力度和變形狀況，使用彈性和彈塑性的方式進(jìn)行研究。主要從結(jié)構(gòu)和構(gòu)件兩個(gè)方面進(jìn)行相關(guān)的定量把控。

【關(guān)鍵詞】基本性能；鋼筋混凝土；建筑構(gòu)造

以性能為基礎(chǔ)的抗震設(shè)計(jì)是現(xiàn)在各國使用比較頻繁的抗震設(shè)計(jì)思想，美國，歐洲和日本的抗震設(shè)計(jì)中都有該思想的具體展現(xiàn)，同時(shí)也是現(xiàn)在國內(nèi)外探索的主要問題之一，其中的內(nèi)容主要有：使得抗震構(gòu)造從整體目標(biāo)向?qū)嶋H量化的多個(gè)目標(biāo)進(jìn)行遞進(jìn)，業(yè)主也就是設(shè)計(jì)人員可以選用比較科學(xué)的抗震要求；抗震設(shè)計(jì)的時(shí)候比較注重性能目標(biāo)的深入研究，通過不斷驗(yàn)證可以使用現(xiàn)在規(guī)范中還沒有明確指出的新型構(gòu)造系統(tǒng)，運(yùn)用新的技術(shù)和新的材料；根據(jù)抗震的不同，建立防烈度，因?yàn)閷?shí)際場(chǎng)地和建筑的不同要采用不同的性能目標(biāo)和針對(duì)性的抗震方法，使得建筑物在強(qiáng)震的時(shí)候也不會(huì)出現(xiàn)比較嚴(yán)重的損傷。根據(jù)上面的特征，以性能為基礎(chǔ)的抗震設(shè)計(jì)方式比較適合運(yùn)用在較為復(fù)雜的超限結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中。

1、以性能為基礎(chǔ)的抗震設(shè)計(jì)方案

1.1 抗震性能目標(biāo)的設(shè)定和選擇

抗震性能目標(biāo)主要是指在地震的狀態(tài)下結(jié)構(gòu)的預(yù)期性能狀況。節(jié)誒狗的超限程度和結(jié)構(gòu)的延性變形能力密切相關(guān)。所以，在構(gòu)建比較復(fù)雜的超限高層建筑構(gòu)造的抗震設(shè)計(jì)時(shí)，要融合不規(guī)則原則，提升結(jié)構(gòu)的承受力，加強(qiáng)延性變形。設(shè)計(jì)時(shí)要給業(yè)主提供技術(shù)和市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)的信息資料，而業(yè)主根據(jù)建筑物的實(shí)際價(jià)值、抗震設(shè)防烈度、震后的損失和維修等問題進(jìn)行全面考慮。這些性能目標(biāo)的構(gòu)建都要以構(gòu)造的安全和建筑方案設(shè)計(jì)的協(xié)調(diào)發(fā)展為基礎(chǔ)。

本文主要根據(jù)性能抗震疾射的實(shí)際特征和我國抗震的相關(guān)要求，對(duì)結(jié)構(gòu)構(gòu)件總結(jié)出了5種性能準(zhǔn)則：小震彈性：結(jié)構(gòu)的所有構(gòu)件在抗震承受力和層間位移方面都符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。構(gòu)件符合彈性設(shè)計(jì)的實(shí)際要求，構(gòu)件細(xì)微部分的抗震構(gòu)造也符合抗震規(guī)范的實(shí)際要求。中震彈性：主要是指不以地震組合中的內(nèi)力調(diào)配系數(shù)為基礎(chǔ)，像是抗震等級(jí)四級(jí)，結(jié)構(gòu)構(gòu)件承受力符合中震計(jì)算彈性。但是要運(yùn)用荷載作用進(jìn)行系數(shù)分項(xiàng)、材料分項(xiàng)系數(shù)和抗震承載力調(diào)整系數(shù)。荷載使用標(biāo)準(zhǔn)模式，材料強(qiáng)度要符合標(biāo)準(zhǔn)，必要時(shí)阻尼比可以進(jìn)行增大。結(jié)構(gòu)薄弱環(huán)節(jié)或是關(guān)鍵部分在中震的效用下可以讓其承受力接近于屈服層次，但是不能出現(xiàn)剪切等損害情況，構(gòu)建的細(xì)節(jié)部位抗震構(gòu)造需要符合延性需求。大震不屈服：結(jié)構(gòu)的構(gòu)建在大震的效用下達(dá)到屈服層次，但是構(gòu)件因?yàn)槭艿竭x用的變形制約，豎向構(gòu)建不能出現(xiàn)剪切等損害情況，構(gòu)建的細(xì)節(jié)部位抗震構(gòu)造要符合延性的實(shí)際需求。

1.2 不同地震狀態(tài)下設(shè)計(jì)計(jì)算

以性能為基礎(chǔ)的抗震設(shè)計(jì)方案要針對(duì)地震的不同效用進(jìn)行相關(guān)的計(jì)算，從而保證結(jié)構(gòu)的完成和設(shè)定性能目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。相關(guān)的計(jì)算過程主要和前面多提到的性能水準(zhǔn)有關(guān)。

1.2.1 小震效用下結(jié)構(gòu)構(gòu)件性能分析的相關(guān)公式

在小震階層主要使用彈性反應(yīng)譜分析模式。所有結(jié)構(gòu)構(gòu)建的承受力要根據(jù)實(shí)際的標(biāo)準(zhǔn)和要求，得出最不利的荷載組合進(jìn)行設(shè)計(jì)，根據(jù)構(gòu)建和結(jié)構(gòu)的內(nèi)部力量，調(diào)整系統(tǒng)和設(shè)計(jì)荷載分項(xiàng)系數(shù)。該過程的計(jì)算公式為：

1.2.2 中震效用下結(jié)構(gòu)構(gòu)建性能分析的相關(guān)公式

在中震的效用下，結(jié)構(gòu)構(gòu)建根據(jù)彈性或不屈服進(jìn)行相關(guān)性能研究。以假設(shè)為前提，使用普遍的彈性分析軟件進(jìn)行模擬彈塑性的彈性計(jì)算，并進(jìn)行審查。性能目標(biāo)設(shè)定為中震彈性結(jié)構(gòu)中的關(guān)鍵部位和薄弱位置，中震效用計(jì)算時(shí)不以地震組合內(nèi)力調(diào)整系數(shù)為依據(jù)，但是要注重荷載組合的荷載分項(xiàng)系數(shù)、還有材料分項(xiàng)系數(shù)和抗震承受力系數(shù)γRE 。

1.3 研究軟件和分析模型

構(gòu)件骨架曲線和恢復(fù)力要進(jìn)行相關(guān)的試驗(yàn)，再利用FEMA356 的模型參數(shù)進(jìn)行論證。構(gòu)件股價(jià)曲線的特征主要有單元線性剛度、屈服強(qiáng)度和屈服后的剛度特點(diǎn)，針對(duì)豎向構(gòu)件要注重軸向荷載的因素。構(gòu)件恢復(fù)力的關(guān)系要以強(qiáng)度、剛度的減退和滯回捏攏為依據(jù)。研究模型要考慮樓板和樓板鋼筋的狀況，并且對(duì)結(jié)構(gòu)構(gòu)件的實(shí)際情況進(jìn)行展現(xiàn)。

1.4 地震波的選用和改進(jìn)

在選擇動(dòng)力彈塑性的時(shí)候，要對(duì)其中的地震加速度時(shí)程曲線進(jìn)行研究，其中一組不能低于兩條場(chǎng)地人工波及不能低于5條實(shí)際測(cè)地震波，選用的地震波要在卓越時(shí)間、震級(jí)、震中距、震源機(jī)理和建筑構(gòu)造的實(shí)際場(chǎng)地相符合，還要注重雙向地震波的效用。時(shí)程曲線主要是從工程場(chǎng)地安全評(píng)價(jià)中產(chǎn)生的人工虛擬曲線和實(shí)際記載時(shí)程曲線為依據(jù)。把時(shí)程分析中的小震下基底剪力結(jié)果大于反應(yīng)譜法結(jié)果的65%，時(shí)程分析的基底剪力結(jié)果的平均值大于反應(yīng)譜結(jié)果的80%。地震波可以首先進(jìn)行有關(guān)的調(diào)整：其目標(biāo)譜是場(chǎng)地設(shè)計(jì)譜，其中0.05 阻尼比的反應(yīng)譜環(huán)衛(wèi)目標(biāo)普時(shí)間點(diǎn)上存在差距，其時(shí)間不能大于三秒，并不能大于15%，時(shí)間大于三秒，就不能超過20%，均衡差值不能大于10%。還可以把選擇的地震快速記錄的峰值進(jìn)行調(diào)整，時(shí)其符合加速度峰值，從而得到設(shè)計(jì)地震加速度記錄。

2、非結(jié)構(gòu)構(gòu)件的論證

為了完成以結(jié)構(gòu)性能為基礎(chǔ)的抗震設(shè)計(jì)，對(duì)相關(guān)設(shè)防水準(zhǔn)中的結(jié)構(gòu)安全度和損失度進(jìn)行把握，從而為社會(huì)和業(yè)主提供更多的選擇空間，第一要明白各個(gè)性能級(jí)別目標(biāo)是安全度和損失度把控的主要設(shè)計(jì)準(zhǔn)則和參考數(shù)據(jù)。但是結(jié)構(gòu)的抗震性能是多種因素融合起來的，是一種量度，因?yàn)樾阅苣繕?biāo)不同相應(yīng)的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)也不同，安全和損失對(duì)變形和強(qiáng)度之間的影響關(guān)系可能出現(xiàn)轉(zhuǎn)變，它們還可能交替進(jìn)行把控，為了完成性能目標(biāo)，對(duì)安全和損失進(jìn)行全盤把控，所以結(jié)構(gòu)性能的抗震設(shè)計(jì)理論要進(jìn)行反復(fù)的驗(yàn)算，驗(yàn)算是設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)抗震性能符合設(shè)計(jì)準(zhǔn)則的主要環(huán)節(jié)。所有的環(huán)節(jié)在設(shè)計(jì)之后都要進(jìn)行驗(yàn)算，驗(yàn)算的內(nèi)容因?yàn)樵O(shè)計(jì)方式和性能目標(biāo)的不同而產(chǎn)生變化。驗(yàn)算主要有結(jié)構(gòu)體系和非結(jié)構(gòu)體系兩種，針對(duì)簡易的、不重要的結(jié)構(gòu)物，驗(yàn)算可以簡單點(diǎn)，針對(duì)復(fù)雜的，比較重要的，要進(jìn)行認(rèn)真驗(yàn)算。

現(xiàn)在的規(guī)范比較注重節(jié)誒狗，因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)損失和人身安全關(guān)系緊密。但是，接受結(jié)構(gòu)損失也是對(duì)變形所產(chǎn)生的非結(jié)構(gòu)部分、內(nèi)部設(shè)施功能效用的損害。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，人們?cè)诜墙Y(jié)構(gòu)體系中的投資增多，這些非結(jié)構(gòu)部分的損害和結(jié)構(gòu)物的安全和使用功能相互聯(lián)系，嚴(yán)重的還會(huì)造成人員損害、財(cái)產(chǎn)損失嚴(yán)重，從而使得運(yùn)營出現(xiàn)中斷的情況。這些損失的不斷累積還會(huì)給社會(huì)和業(yè)主造成難以挽回的損失。以結(jié)構(gòu)性能為基礎(chǔ)的抗震設(shè)計(jì)理論認(rèn)為非結(jié)構(gòu)系統(tǒng)也屬于結(jié)構(gòu)的一個(gè)部分，其中的抗震性能也符合目標(biāo)水準(zhǔn)的有關(guān)準(zhǔn)則，主要表現(xiàn)在設(shè)計(jì)中是非結(jié)構(gòu)構(gòu)件抗震性能在結(jié)構(gòu)驗(yàn)算時(shí)要符合實(shí)際設(shè)計(jì)需求。非結(jié)構(gòu)構(gòu)件主要是在一般的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中不以承受力荷載和風(fēng)、地震等側(cè)向荷載部件為基礎(chǔ)，像女兒墻、山墻、天線、機(jī)械附屬物、設(shè)備、幕墻、內(nèi)隔墻、外圍墻板、欄桿等構(gòu)件在地震效用中也進(jìn)行了一些工作，從而使得整體節(jié)誒狗和相關(guān)受力構(gòu)件剛度和傳力道路出現(xiàn)問題，還會(huì)出現(xiàn)不可預(yù)料的抗震效果或是出現(xiàn)不能預(yù)計(jì)的部分損失，從而出現(xiàn)嚴(yán)重的損失情況。

為了解決非結(jié)構(gòu)構(gòu)件對(duì)人身體產(chǎn)生的損害或阻礙建筑主體構(gòu)造的正常使用，需要和支撐構(gòu)件一起對(duì)抗設(shè)計(jì)地震進(jìn)行驗(yàn)算。針對(duì)非結(jié)構(gòu)構(gòu)件，可以使用強(qiáng)度為其判別抗震性能的依據(jù)。在理論上，非結(jié)構(gòu)構(gòu)件的抗震分析需要以真實(shí)的模型為依據(jù)，使用主體系的支撐構(gòu)件反應(yīng)，體現(xiàn)出相應(yīng)的反應(yīng)譜或樓層反應(yīng)譜。

綜合：

目前鋼筋混凝土抗震結(jié)構(gòu)已得到十分廣泛的應(yīng)用，其設(shè)計(jì)的關(guān)鍵就是抗震墻的布置，抗震墻結(jié)構(gòu)的受力特點(diǎn)直接由抗震墻的布置決定，設(shè)計(jì)人員在符合國家規(guī)范要求的基礎(chǔ)上，通過優(yōu)化與調(diào)整設(shè)計(jì)，探索出更為經(jīng)濟(jì)、合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。 本文融入國外先進(jìn)的性能抗震思維，并且學(xué)習(xí)國外抗震設(shè)計(jì)規(guī)范，融合我國抗震設(shè)計(jì)規(guī)范體系的實(shí)際狀況和自己多年進(jìn)行超限工程抗震設(shè)計(jì)的經(jīng)驗(yàn)，找出了適合我國工程實(shí)踐的鋼筋混凝土建筑構(gòu)造以性能抗震為基礎(chǔ)的方式，并且在實(shí)際的工程案例中進(jìn)行了相關(guān)的融入。

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