抗震設計方法研究論文

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摘要；文章闡述了抗震設計方法的轉變，并介紹了兩種不同設計方法的優缺點，對能量分析方法在抗震結構計算中的應用進行了分析。

關鍵詞：推覆分析方法；結構能量反應分析；地震動三要素；耗散能量

目前世界各國的抗震設計規范大多數都以保障生命安全為基本目標，即“小震不壞、中震可修、大震不倒”的設防水準，據此制定了各種設計規范和條例。依此設計思想設計的各種建筑物在地震中雖然基本保證了生命安全，卻不能在大地震，甚至在中等大小的地震中有效的控制地震損失。特別是隨著現代工業社會的發展，城市的數量和規模不斷擴大，城市變成了人口高度密集、財富高度集中的地區，一般的地震和1995年的日本阪神地震，造成了巨．大的經濟損失和人員傷亡。嚴重的震害引起工程界對現有抗震設計思想和方法上存在的不足進行深刻的反思，進一步探討更完善的結構抗震設計思想和方法已成為迫切的需要。上個世紀九十年代，美國地震工程和結構工程專家經過深刻總結后，主張改進當前基于承載力的設計方法。加州大學伯克利分校的J.P.Moehlelll提出了基于位移的抗震設計理論；日本建設省建筑研究院根據建筑物的性能要求，提出了一個有關抗震和結構要求的框架，內容包括建議方案，性能目標，檢驗性能水準等：我國學者已認識到這一思潮的影響，并在各自研究領域加以引用和研究，如王亞勇、錢鎵茹、方鄂華、呂西林分別發表了有關剪力墻、框架構件的變形容許值的研究成果，程耿東采用可靠度的表達形式，將結構構件層次的可靠度應用水平過渡到考慮不同功能要求的結構體系，王光遠把這一理論引入到結構優化設計領域，提出基于功能的抗震優化設計概念。

我國現行的結構抗震設計，主要是以承載力為基礎的設計，即用線彈性方法計算結構在小震作用下的內力、位移；用組合的內力驗算構件截面，使結構具有一定的承載力；位移限值主要是使用階段的要求，也是為了保護非結構構件；結構的延性和耗能能力是通過構造措施獲得的。結構的計算分析方法基本上可以分為彈性方法和彈塑性方法。當前在建筑結構抗震設計和研究中廣泛地采用底部剪力法和振型分解反應譜法等。這些方法沒有考慮結構屈服之后的內力重分布。實際上結構在強震作用下往往處于非線性工作狀態，彈性分析理論和設計方法不能精確地反映強震作用下結構的工作特性，讓結構在強震作用下處在彈性工作狀態下工作將造成材料的巨大浪費，是不經濟的。隨著人們認識的提高，結構的地震反應分析設計方法經過了兩個文獻的轉變：(1)靜力分析方法到動力分析方法的轉變：(2)從線性分析方法到非線性分析方法的轉變。其中動力分析方法就經過了從振型分解反應譜法到時程分析法、從線性分析到非線性分析、從確定性分析到非確定性分析的三個大的轉變。作為一種簡化實用近似方法，目前的推覆分析方法(Push—overAnalysis)受到眾多學者的重視。它屬于彈塑性靜力分析，是進行結構在側向力單調加載下的彈塑性分析。具體做法是在結構分析模型上施加按某種方式(研究中常用的有倒三角形、拋物線和均勻分布等側向力分布方式)模擬地震水平慣性力作用的側向力并逐步單調加大，使結構從彈性階段開始，經歷開裂、屈服直至達到預定的破壞狀態甚至倒塌。這樣可了解結構的內力、變形特性和能量耗散及其相互關系，塑性鉸出現的順序和位置，薄弱環節及可能的破壞機制。這種方法彌補了傳統靜力線性分析方法如底部剪力法、振型分解法等的不足并克服了動力時程分析方法過程中，計算工作量大的問題，僅用于近似評估結構抵御地震的能力。但是，傳統的推覆分析方法基本上只適用于第一振型影響為主的多層規則結構，對于高層建筑或不規則的建筑，高階振型的影響不容忽視，并且對于非對稱結構，還必須考慮正、反側反推覆的不同所帶來的影響。此外推覆分析方法無法得知結構在特定強度地震作用下的結構反應和破壞情況，這限制了它在抗震性能設計中的使用。地震動能量是刻畫地震強弱的綜合指標，它綜合體現了地面最大加速度和地震持時兩個反映地面運動特性的重要因素。結構地震反應的能量分析方法是一種能較好地反映結構在地震地面運動作用下的非線性性質及地震動三要素(幅值、頻譜特性和持時)對結構抗震性能影響的方法。地震時，結構處于能量場中，地面與結構之間有連續的能量輸入、轉化與耗散。研究這種能量的輸入與耗散，以估計結構的抗震能力，是結構抗震能量分析方法所關心的問題。結構在地震(反復交變荷載)作用下，每經過一個循環，加載時先是結構吸收或存儲能量，卸載時釋放能量，但兩者不相等。兩者之差為結構或構件在一個循環中的“耗散能量”(耗能)，亦即一個滯回環內所含的面積。能量等于力與變形的乘積。一個結構(構件)所耗散的地震能量多，不僅因為它承擔了較大的地震作用，還因為它產生了較大的變形。從這個意義上來看，耗能構件是用它自身某種程度破壞所作的犧牲，來維持整個結構的安全。所以，每次大的地震作用之后，人們看到那些沒有其它途徑耗散所吸收的地震作用的能量的結構，只有通過結構自身的破壞來釋放所有的多余能量。因此，結構的抗震設計應當注意保證結構剛度、強度和變形能力的協調與統一，如結構的延性設計就是在傳統的單一強度概念條件下進行的彈性抗震設計的基礎上，充分考慮結構和構件的塑性變形能力，在設防烈度下允許結構出現可能修復的損壞，當地震作用超過設防烈度時，利用結構的彈塑性變形來存儲和消耗巨大的地震能量，保證結構裂而不倒。

能量法在近半個世紀的研究中發現較快，但由于地震本身的復雜性能量與結構反應之間的關系仍需我們進行進一步的探索。