基于性能的鋼結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)方法探討及其改進(jìn)分析

羅曉波

（內(nèi)蒙古鴻德文理學(xué)院，內(nèi)蒙古自治區(qū) 呼和浩特 014010）

地震是一種突發(fā)性強(qiáng)、破壞性強(qiáng)、難以預(yù)測(cè)的自然災(zāi)害，并且地震釋放的能量會(huì)造成山體崩塌、泥石流、海嘯等次生災(zāi)害，給人民的生命和財(cái)產(chǎn)帶來巨大威脅。近半個(gè)世紀(jì)以來，國(guó)內(nèi)的小級(jí)別地震時(shí)有發(fā)生，造成的危害較小，但如唐山大地震、汶川地震、玉樹地震造成了巨大的人員和財(cái)產(chǎn)損失。2023年12月19日，甘肅積石山縣發(fā)生6.2 級(jí)地震，導(dǎo)致房屋嚴(yán)重?fù)p壞，百姓無家可歸。面對(duì)地震，人們感到無能為力，但是可以探索具有抗震性能的建筑物，提高建筑物的防震等級(jí)，最大限度保證人們的生命財(cái)產(chǎn)安全。20 世紀(jì)90年代，美國(guó)就興起了基于性能的抗震設(shè)計(jì)思想，并應(yīng)用到實(shí)踐當(dāng)中。鋼結(jié)構(gòu)作為常見的建筑物，一直在積極探索既能夠保證生命安全，又最大限度降低經(jīng)濟(jì)損失的抗震設(shè)計(jì)方法。

1 提高建筑物抗震性能的重要性

1.1 保護(hù)人民群眾生命及財(cái)產(chǎn)的安全

隨著社會(huì)發(fā)展，建筑物也在不斷發(fā)展，不僅打造滿足人們生產(chǎn)生活所需的建筑物，而且打造具有特色的建筑物，讓其成為城市中一道靚麗的風(fēng)景。國(guó)家為保證建筑物的質(zhì)量，出臺(tái)各種標(biāo)準(zhǔn)，明確對(duì)建筑物抗震性能提出了要求，這主要因?yàn)榻ㄖ锸侨藗儗W(xué)習(xí)、工作、生活的重要場(chǎng)所，一旦發(fā)生地震災(zāi)害，建筑物可成為避難場(chǎng)所，若房倒屋塌，將會(huì)造成更大的損失。據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)顯示，中國(guó)有5 大地震區(qū)和23 條地震帶，是世界上大陸強(qiáng)震最多的國(guó)家。自1900年以來，中國(guó)境內(nèi)6 級(jí)以上的地震超過800 次，只有貴州、浙江兩省和香港特別行政區(qū)未有相關(guān)記錄，其他各省均遭受過6 級(jí)以上的地震。在2023年，全國(guó)2 級(jí)以上的地震達(dá)608 次，遍布101 個(gè)行政區(qū)，其中河北、四川、云南、甘肅、青海五省發(fā)生的次數(shù)較多，發(fā)生頻率最多的是四川和甘肅，超過20 次，級(jí)數(shù)最高的是甘肅積石山地震，達(dá)到6.2 級(jí)。我國(guó)的地震類型較多，并且發(fā)生頻率比較高，6 級(jí)以上的地震造成的危害較大。為了保證人民的生命和財(cái)產(chǎn)安全，迫切需要提高建筑物的抗震能力。

1.2 建筑企業(yè)發(fā)展的要求

建筑物品體積較大，使用年限較長(zhǎng)，并且是人們居住和生活的場(chǎng)所，因此國(guó)家對(duì)建筑質(zhì)量作出了明確的規(guī)定。作為建筑企業(yè)，面對(duì)頻發(fā)的地震事件，國(guó)家對(duì)抗震標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，人們對(duì)建筑物抗震性能的要求，促使企業(yè)重視建筑物的抗震性能，并且抗震性已經(jīng)成為建筑物在市場(chǎng)發(fā)展中的主流。也就是說，在未來的市場(chǎng)中，建筑企業(yè)想要在激烈的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中站穩(wěn)腳跟，就要不斷提高建筑物的質(zhì)量，提高建筑物的性能，尤其對(duì)于地震發(fā)生較為頻繁的場(chǎng)所，抗震性能更是評(píng)價(jià)建筑物質(zhì)量的重要指標(biāo)。同時(shí)，建筑物品關(guān)乎人們的日常生活，一旦發(fā)生地震災(zāi)害，抗震等級(jí)低的建筑物，將加劇地震災(zāi)害，而抗震等級(jí)高的建筑物，將會(huì)為人們的生命安全提供保障。因此，建筑企業(yè)要承擔(dān)更多的社會(huì)責(zé)任，不斷提高建筑物的抗震能力。

2 鋼結(jié)構(gòu)的抗震優(yōu)勢(shì)

國(guó)內(nèi)的工程建設(shè)主要有砌體結(jié)構(gòu)、鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)、鋼結(jié)構(gòu)等，從國(guó)內(nèi)各地地震災(zāi)害造成的危害來看，倒塌的主要是泥土、磚石等結(jié)構(gòu)的建筑物，這主要是泥土、混凝土、砌體屬于剛性連接，各部分連接較弱，導(dǎo)致建筑物的延展性較低，并且由于建筑物自身比重較大，在地震的拉伸下，很容易被拉伸變形，失去支撐，最后倒塌，進(jìn)而造成人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失。鋼結(jié)構(gòu)同其他結(jié)構(gòu)的建筑物相比，其在抗震上具有明顯的優(yōu)勢(shì)：一是鋼結(jié)構(gòu)的重量相對(duì)較輕，一旦發(fā)生地震，依然能夠保持建筑物的穩(wěn)定性，不易塌落；二是鋼結(jié)構(gòu)具有較強(qiáng)的可塑性，一旦發(fā)生地震，鋼結(jié)構(gòu)可通過變形來吸收地震能量，進(jìn)一步降低地震造成的危害；三是鋼結(jié)構(gòu)雖然構(gòu)件尺寸精度較高，但是在新技術(shù)的推動(dòng)下，很容易控制制作和施工過程，進(jìn)而保證建筑物的精度和安全性。從實(shí)踐角度來看，鋼結(jié)構(gòu)建筑物不僅在市場(chǎng)上具有競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)，而且在強(qiáng)大的地震災(zāi)害面前，具有較強(qiáng)的抗震性能，能夠保證建筑物的穩(wěn)定性和整體安全性，最大限度地降低自然災(zāi)害造成的危害，保證人民生命和財(cái)產(chǎn)安全。

3 基于性能的抗震設(shè)計(jì)理論及特點(diǎn)

3.1 基于性能的抗震設(shè)計(jì)理論

基于性能的抗震設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，主要從如下三個(gè)方面展開：一是地震作用的水準(zhǔn)。從實(shí)踐角度來看，地震的發(fā)生頻率與地震的強(qiáng)度呈反向關(guān)系，也就是強(qiáng)度大的地震發(fā)生的頻率低，強(qiáng)度小的地震發(fā)生頻率高。現(xiàn)階段，國(guó)內(nèi)的地震主要被分為三個(gè)等級(jí)，分別是多遇地震、設(shè)防地震和罕遇地震，也就是小震、中震和大震，發(fā)生的概率分別為63.5%，10%和2.5%。在20世紀(jì)50年代到70年代，中國(guó)抗震設(shè)計(jì)采用單一的設(shè)防目標(biāo)，只需要結(jié)構(gòu)和構(gòu)件滿足強(qiáng)度即可。通過改進(jìn)，實(shí)施三個(gè)等級(jí)的設(shè)防目標(biāo)，讓建筑物的抗震目標(biāo)更加精準(zhǔn)，能夠確保地震安全，減輕在發(fā)生地震之后而造成的人員傷亡。二是結(jié)構(gòu)性能水準(zhǔn)及量化指標(biāo)。在發(fā)生地震之后，建筑物的性能就體現(xiàn)出來，在評(píng)價(jià)建筑物的性能標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，不僅關(guān)注建筑物結(jié)構(gòu)的破壞程度，還考慮建筑物內(nèi)物品、設(shè)施的破壞程度。在《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》中，將建筑物的破壞程度分為五個(gè)等級(jí)，其中第一等級(jí)是結(jié)構(gòu)功能完整，無需修整就能夠入住，隨著等級(jí)的提升，破壞程度加大；第五等級(jí)是結(jié)構(gòu)發(fā)生倒塌，已經(jīng)喪失其原有功能，需要拆除重建。三是抗震性能目標(biāo)的確定。抗震性能的目標(biāo)不能僅從建筑結(jié)構(gòu)出發(fā)，還要考慮投資與效益、震后的經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡，潛在的文化歷史價(jià)值等多方面的內(nèi)容。

3.2 基于性能的抗震設(shè)計(jì)特點(diǎn)

隨著建筑物的發(fā)展，建筑物設(shè)計(jì)理論也不斷推進(jìn)，1992年，美國(guó)J P Moehle 先生率先提出了基于性能的抗震設(shè)計(jì)理論，并將其應(yīng)用到橋梁設(shè)計(jì)領(lǐng)域。中國(guó)的學(xué)者和專家充分汲取Moehle 的觀點(diǎn)，并結(jié)合實(shí)際情況，不斷完善適合我國(guó)的抗震設(shè)計(jì)體系。現(xiàn)階段，國(guó)內(nèi)基于性能抗震設(shè)計(jì)理論的特點(diǎn)主要表現(xiàn)在如下幾個(gè)方面：一是采用多級(jí)設(shè)防目標(biāo)。為保護(hù)人民的生命財(cái)產(chǎn)安全，降低社會(huì)經(jīng)濟(jì)損失，減少社會(huì)承受的壓力，提出了抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)，即“小震不壞，中震可修，大震不倒”。二是引入投資和效益準(zhǔn)則。根據(jù)基于性能抗震設(shè)計(jì)理論的內(nèi)容，在建筑物的結(jié)構(gòu)上從重視安全逐漸向重視結(jié)構(gòu)的功能、安全、經(jīng)濟(jì)等方面內(nèi)容出發(fā)，也就是平衡建筑物的可靠性和經(jīng)濟(jì)之間的關(guān)系，進(jìn)而來確定最佳的抗震設(shè)計(jì)方案。三是具有更大的自由度。原有的抗震設(shè)計(jì)需要按部就班，結(jié)構(gòu)人員無法自行根據(jù)建筑物的實(shí)際情況進(jìn)行調(diào)整，缺乏靈活性，比較被動(dòng)。基于性能的抗震設(shè)計(jì)，一方面滿足了共性的要求外，還可以進(jìn)行個(gè)性化設(shè)計(jì)。甲方與設(shè)計(jì)人員進(jìn)行溝通，設(shè)計(jì)人員根據(jù)甲方的用途、特殊要求來確定機(jī)構(gòu)性能目標(biāo)，選擇合適的設(shè)計(jì)方法，這樣，既達(dá)到了構(gòu)造性能的要求，也充分調(diào)動(dòng)設(shè)計(jì)人員的積極性，更有利于新材料、新技術(shù)的使用和開發(fā)。

4 基于性能的抗震設(shè)計(jì)方法

4.1 基于位移的設(shè)計(jì)方法

基于位移的抗震設(shè)計(jì)主要有如下三種方法：一是按延性系數(shù)設(shè)計(jì)的方法。此種方法就是建立構(gòu)件的位移延性系數(shù)，保證其能夠達(dá)到最大的極限壓，進(jìn)而讓構(gòu)件達(dá)到延性要求。

二是能力譜方法。此種方法最早出現(xiàn)于1975年，由Freeman 率先提出。此種設(shè)計(jì)方法是將能力譜曲線和地震反應(yīng)譜轉(zhuǎn)化而來的需求譜，對(duì)其進(jìn)行比較、分析、評(píng)估，進(jìn)而得出其抗震性能。能力譜方法主要是從結(jié)構(gòu)的實(shí)際性能方面出發(fā)，對(duì)其進(jìn)行驗(yàn)算、評(píng)估。此外，此種方法主要適用于平面結(jié)構(gòu)，或者是分布較為均勻的結(jié)構(gòu)當(dāng)中，若應(yīng)用到比較復(fù)雜的建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)當(dāng)中，其所產(chǎn)生的誤差會(huì)偏大，不僅影響計(jì)算結(jié)果，而且也對(duì)工程的實(shí)際建設(shè)質(zhì)量產(chǎn)生一定的影響，導(dǎo)致建筑物的抗震性能不佳。

三是直接基于位移的方法。此種方法主要是在一定水準(zhǔn)的地震下來判斷位移發(fā)生的情況。通過進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，這樣不僅能夠讓鋼結(jié)構(gòu)的構(gòu)件達(dá)到預(yù)期變形的效果，而且也能夠在預(yù)期的位移范圍之內(nèi)，進(jìn)而讓鋼結(jié)構(gòu)的構(gòu)件達(dá)到理想的抗震效果。

4.2 能量設(shè)計(jì)法

能量設(shè)計(jì)法是從地震對(duì)結(jié)構(gòu)物及內(nèi)部設(shè)施破壞的角度出發(fā)，指出其主要是由輸入的能量與結(jié)構(gòu)物所消耗的能量共同決定的。依據(jù)此種方法進(jìn)行設(shè)計(jì)，能夠預(yù)估鋼結(jié)構(gòu)建筑物被破壞的程度，但最大的缺點(diǎn)是存在太多不確定因素，應(yīng)用起來比較繁瑣。

4.3 綜合設(shè)計(jì)法

綜合設(shè)計(jì)法是讓在投資最少的情況下讓建筑物達(dá)到基本性能目標(biāo)。也就是說，綜合設(shè)計(jì)法不僅需要考慮抗震的諸多因素，體現(xiàn)了建筑結(jié)構(gòu)抗震的設(shè)計(jì)理念，讓其能夠有效地抗擊不同等級(jí)的地震，最大限度降低地震所造成的損失。同時(shí)，還要盡量降低工程建設(shè)所消耗的資金。綜合考慮建筑物的抗震性能和投入的資金，既能夠保證建筑物的質(zhì)量，也能夠降低成本，提高經(jīng)濟(jì)效益。此種方法雖然兼顧了抗震和利益兩方面的內(nèi)容，但是需要考慮的因素甚多，并且涉及的范圍比較廣，導(dǎo)致整個(gè)設(shè)計(jì)過程非常繁瑣，需要反復(fù)論證，在設(shè)計(jì)上就耗費(fèi)較長(zhǎng)時(shí)間。

5 鋼結(jié)構(gòu)基于性能的抗震設(shè)計(jì)

隨著社會(huì)的發(fā)展，中國(guó)在基于性能的抗震設(shè)計(jì)研究上已經(jīng)取得了較好的發(fā)展成果，但由于人們認(rèn)識(shí)的局限性，實(shí)踐環(huán)境的復(fù)雜性，還無法完全依靠計(jì)算來保證建筑結(jié)構(gòu)的安全性和穩(wěn)定性。因此，在基于性能的抗震設(shè)計(jì)上，還要從結(jié)構(gòu)概念設(shè)計(jì)和細(xì)節(jié)構(gòu)造設(shè)計(jì)等方面出發(fā)，充分考慮建筑主體和內(nèi)部結(jié)構(gòu)的承載能力。通過上文論述，結(jié)合工作實(shí)踐，筆者基于性能的抗震設(shè)計(jì)理念對(duì)鋼結(jié)構(gòu)建筑進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)。

一是將鋼結(jié)構(gòu)目標(biāo)性能劃分多個(gè)水準(zhǔn)，不僅明確各個(gè)指標(biāo)，而且還要進(jìn)行量化。同時(shí)，還要考慮結(jié)構(gòu)的投資，以及未來可能遭受的地震及造成的損失，結(jié)合理論知識(shí)將其確定下來。

二是加強(qiáng)概念設(shè)計(jì)，從宏觀角度對(duì)整個(gè)鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行控制設(shè)計(jì)，也就是說，在設(shè)計(jì)的過程中要將整個(gè)結(jié)構(gòu)看成一個(gè)整體，選擇合適的結(jié)構(gòu)體系，以此來保證結(jié)構(gòu)和構(gòu)件的延展性。

三是從變形指標(biāo)角度出發(fā)，綜合評(píng)價(jià)鋼結(jié)構(gòu)的抗震性能，評(píng)價(jià)控制結(jié)構(gòu)構(gòu)件的損傷程度，以及非結(jié)構(gòu)構(gòu)件的性能水平。通過這些內(nèi)容和指標(biāo)來判斷在不同的地震等級(jí)下，可能遭受的地震損失，進(jìn)而進(jìn)行設(shè)計(jì)，并且保證鋼結(jié)構(gòu)在使用周期的過程中投入的費(fèi)用最少。通過合理設(shè)計(jì)，讓整個(gè)結(jié)構(gòu)具有定性、定量、簡(jiǎn)潔方便的特點(diǎn)，不僅縮短了設(shè)計(jì)周期，而且也合理優(yōu)化各項(xiàng)指標(biāo)，提高了鋼結(jié)構(gòu)的控制和協(xié)調(diào)能力。

6 結(jié)論

隨著建筑企業(yè)的發(fā)展，人們的認(rèn)知和技術(shù)能力及建筑物的設(shè)計(jì)方法也在不斷革新。基于性能的抗震設(shè)計(jì)方法是建筑體系中設(shè)計(jì)理念的變革，其以性能為導(dǎo)向來設(shè)計(jì)建筑結(jié)構(gòu)，對(duì)工程結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和發(fā)展具有重大意義。同傳統(tǒng)的抗震設(shè)計(jì)方法相比，基于性能的抗震設(shè)計(jì)方法能夠充分發(fā)揮設(shè)計(jì)者的主觀能動(dòng)性，并且讓建筑結(jié)構(gòu)更加精準(zhǔn)、靈活、可靠。現(xiàn)階段，基于性能的抗震設(shè)計(jì)方法雖然在具體應(yīng)用中還存在不足，但是其也具有無可比擬的優(yōu)越性，促使其成為建筑行業(yè)在實(shí)踐領(lǐng)域的重要設(shè)計(jì)方法。未來，隨著研究的深入和技術(shù)的不斷完善，基于性能的抗震設(shè)計(jì)理論將會(huì)在建筑領(lǐng)域發(fā)揮其最大優(yōu)勢(shì)，引領(lǐng)和推動(dòng)建筑行業(yè)的發(fā)展。