鋼框架結(jié)構(gòu)基于損傷指標(biāo)的抗震設(shè)計(jì)方法研究

張曉雷

（江西理工大學(xué) 建筑與測(cè)繪工程學(xué)院， 江西 贛州 341000）

0 引言

在我國(guó)近年來(lái)鋼結(jié)構(gòu)建筑作為一種新型綠色建筑結(jié)構(gòu)迅速崛起，鋼框架的抗震設(shè)計(jì)也成為研究的熱點(diǎn)問(wèn)題。在實(shí)際工程中，鋼框架結(jié)構(gòu)大多依據(jù)設(shè)計(jì)人員經(jīng)驗(yàn)完成，往往會(huì)造成巨大的浪費(fèi)。本文基于能較好反應(yīng)地震破壞作用的損傷指標(biāo)進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)，為鋼框架結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)提供一種新的可行的設(shè)計(jì)方法。

1 鋼框架結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)方法綜述

1.1 基于承載力抗震設(shè)計(jì)方法

在工程早期最常用的抗震設(shè)計(jì)方法就是基于承載力的設(shè)計(jì)。靜力法簡(jiǎn)單的將結(jié)構(gòu)剛接于地面以等效的靜力進(jìn)行地震響應(yīng)分析。但隨著結(jié)構(gòu)抗震領(lǐng)域的研究完善，靜力法被考慮因素更加完善的反應(yīng)譜法所取代。反應(yīng)譜法在線性體系的抗震設(shè)計(jì)中被廣泛應(yīng)用，但當(dāng)結(jié)構(gòu)可能進(jìn)入彈塑性狀態(tài)時(shí)，其局限性便暴露了出來(lái)。

1.2 基于位移的抗震設(shè)計(jì)方法

基于位移的抗震設(shè)計(jì)方法（DBSD）是第二階段學(xué)者提出的設(shè)計(jì)方法，此時(shí)設(shè)計(jì)指標(biāo)選為量化的位移[1]。其與傳統(tǒng)的基于承載力方法相比從整體上控制位移和層間位移角等量，從位移到承載力的計(jì)算，強(qiáng)度、剛度和配筋等指標(biāo)反而是設(shè)計(jì)結(jié)果，初步體現(xiàn)了近年來(lái)基于性能抗震設(shè)計(jì)方法的思想。

1.3 基于損傷的抗震設(shè)計(jì)方法

基于損傷性能的抗震設(shè)計(jì)方法是近年來(lái)國(guó)內(nèi)外學(xué)者研究的熱點(diǎn)[2]。與前述基于承載力和基于位移的設(shè)計(jì)方法相比，損傷指標(biāo)的建立能更貼切的反應(yīng)出建筑物在地震作用下的累積能量破壞。由于近年來(lái)研究主要集中在混凝土結(jié)構(gòu)，歐進(jìn)萍等人根據(jù) Park & Ang 提出的雙參數(shù)損傷模型，系統(tǒng)地研究了鋼框架結(jié)構(gòu)地震損傷理論，引起了廣泛的關(guān)注。

2 結(jié)構(gòu)基于損傷指標(biāo)抗震方法研究

2.1 基于損傷指標(biāo)設(shè)計(jì)的創(chuàng)新點(diǎn)

基于損傷的抗震設(shè)計(jì)體現(xiàn)和創(chuàng)新了近年來(lái)提出的基于性能抗震設(shè)計(jì)(PBSD)理念。本文利用“規(guī)范設(shè)計(jì)+損傷驗(yàn)算”深入研究了鋼框架結(jié)構(gòu)基于損傷指標(biāo)的抗震設(shè)計(jì)方法，在規(guī)定鋼結(jié)構(gòu)損傷性能目標(biāo)時(shí)，開(kāi)創(chuàng)性考慮了余震作用的影響。其次，研究了Park&Ang提出的綜合考慮變形和累積損傷的雙參數(shù)模型和歐進(jìn)萍提出的鋼結(jié)構(gòu)雙參數(shù)損傷模型，提出其簡(jiǎn)化的計(jì)算方法，本文基于損傷性能的抗震設(shè)計(jì)方法是為了避免工程設(shè)計(jì)中盲目增大用鋼量來(lái)提高抗震性能所造成的浪費(fèi)問(wèn)題。

2.2 考慮余震的損傷性能目標(biāo)的建立

歷次發(fā)生地震破壞后，余震總是緊隨其后。余震具有較大的強(qiáng)度，并且非常的頻繁，首次地震之后，余震會(huì)進(jìn)一步加劇震害，經(jīng)常使未破壞的建筑倒塌。歷次地震中，很多嚴(yán)重的損失是首次地震后的頻繁余震造成的。當(dāng)前的實(shí)際工程抗震設(shè)計(jì)常常僅根據(jù)地震記錄考慮單震的烈度，但由于地震作用時(shí)涉及到累積損傷對(duì)結(jié)構(gòu)的損耗，在結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)時(shí)僅考慮主震作用是不合理和不完整的。結(jié)構(gòu)在強(qiáng)余震作用時(shí)，往往已經(jīng)有了初次作用后的損傷，其破壞的分析方式與完好建筑是不同的。因此結(jié)構(gòu)在經(jīng)歷初次的地震作用后，強(qiáng)余震很容易對(duì)結(jié)構(gòu)破壞進(jìn)行加深。近幾十年來(lái)越來(lái)越多學(xué)者建議在分析結(jié)構(gòu)抗震性能以及進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)時(shí)必須全面考慮強(qiáng)余震的影響。本文提出的考慮余震和震害損傷的性能目標(biāo)對(duì)照如表1所示。

表1 鋼框架結(jié)構(gòu)考慮余震的抗震性能目標(biāo)

2.3 鋼結(jié)構(gòu)損傷指標(biāo)的簡(jiǎn)化計(jì)算

早期在建立損傷模型時(shí)往往僅考慮單一的參數(shù)，雖然形式簡(jiǎn)單易懂，但不能同時(shí)準(zhǔn)確反應(yīng)結(jié)構(gòu)在地震作用下的初次變形和累積損傷。 1985 年， Park 等人進(jìn)行了大量梁柱破壞試驗(yàn)，提出了雙參數(shù)損傷模型，可以綜合考慮地震初次破壞和結(jié)構(gòu)在余震作用下的累積損傷，Park & Ang 雙參數(shù)損傷模型由于同時(shí)考慮了兩個(gè)參數(shù)，得到了國(guó)內(nèi)外廣大學(xué)者的認(rèn)可。Park & Ang 雙參數(shù)損傷模型最初是在鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)中總結(jié)提出的，國(guó)內(nèi)歐進(jìn)萍等對(duì)鋼結(jié)構(gòu)也進(jìn)行了研究總結(jié)[3]，本文列出了簡(jiǎn)化的鋼結(jié)構(gòu)損傷指標(biāo)計(jì)算公式，如式（1）所示：

3 展望及建議

總之，基于性能的抗震思想在實(shí)際工程抗震設(shè)計(jì)中的應(yīng)用是抗震設(shè)計(jì)方法的創(chuàng)新，因此本文對(duì)鋼框架結(jié)構(gòu)損傷性能的定義和研究就顯得非常有意義。一方面我們要加強(qiáng)實(shí)驗(yàn)室模擬地震作用對(duì)鋼結(jié)構(gòu)的初次破壞和累積損傷的仿真研究，另一方面要想辦法將基于損傷性能的抗震設(shè)計(jì)運(yùn)用到實(shí)際工程設(shè)計(jì)中，尋找鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中經(jīng)濟(jì)和結(jié)構(gòu)的安全可靠之間的平衡。