摘要：分灾抗震设计既是一种概念，也是一种设计方法。在地震作用高度不确定或是需要提高工程的抗震性能时，分灾设计为工程师提供了一种可以选用的设计理念，可以帮助工程师提出创新的结构体系。分灾设计提高了结构体系的抗震可靠性，简化了抗震分析。本文进一步分析了分灾模式的高层结构抗震优化设计，以供同仁参考借鉴。
关键词：高层结构；分灾模式；抗震设计
一、分灾模式抗震设计概述
1.1基于分灾模式的防灾减灾设计思想
现有的结构防灾减灾设计基本上是确定性设计，而灾害荷载具有显著的不确定性，在设计中将整个结构体系分为两个部分：满足结构各种正常使用功能的主体结构和由若干分灾单元组成的、其破坏不影响结构的主要使用功能且引起的损失相对较小的分灾结构。在各种正常使用荷载及小震、常遇风载等非灾害荷载作用下，这两部分共同发挥作用，保证结构的各种正常使用功能；在灾害荷载作用下，分灾结构发挥分灾作用，通过一定的分灾模式（如阻尼耗能、改变结构动力特性等），减少灾害荷载对主体结构的影响，保证主体结构的安全，维护整个结构体系的各种正常使用功能。分灾结构通过不同的分灾模式，可以为结构提供两道防线：
（1）分灾结构通过自身的变形耗能能力，消耗部分输入到结构的能量，保证结构的安全。
（2）当分灾单元达到其耗能极限后发生破坏，使结构的动力特性发生变化(一般情况下，结构变柔，自振周期变长)，减少了外界能量输入，有利于主体结构继续抵御灾害。由于地震作用的显著的不确定性，实际发生的地震作用可能远远超过抗震设计中所采用的标准值，一旦发生超过“大震”水平的地震作用，结构整体的可靠性将不再能够得到保证；同时，地震对结构的影响不仅与其作用的强度有关，还与地震的类型、场地条件以及结构本身的动力特性密切相关。如果实际发生的地震与设计中假定的地震作用相一致时，设计所采用的结构可以非常有效地抵御地震作用，但由于地震作用的随机性，实际地震出现的类型可能与设计中所考虑的完全不同，适应原来假想情况的结构可能完全不能适应实际地震作用。在这种情况下，采用分灾模式的抗震设计方法更有其优势，通过有意识设置的分灾单元的破坏，从而改变了原有结构的动力特性，消减了地震作用，同时可以消耗一部分地震作用在结构上的能量，达到抵抗超过设计标准或不同类型的地震作用的目的。
1.2基于分灾模式的抗震加固的基本思想
（1）整体化的结构加固设计。根据不同的加固目标，确定增设的分灾单元的数量及其相关设计参数，将加固后的结构体系（含现有结构和分灾功能部分，即分灾单元）作为一个整体，进行结构弹塑性分析，以充分考虑加设分灾单元后，整体结构在地震作用特别是大震作用下的结构抗震性能，而不是像以往结构加固中多针对构件进行加固，“头痛医头、脚痛医脚”而忽略加固后对结构整体抗震性能的影响。
（2）基于投资效益原则抗震加固原则的应用。结构的抗震加固设计可以考虑以下两个以经济指标来衡量的目标函数：结构的加固造价(主要是分灾功能部分)和结构的损失期望(包括直接损失和间接损失)。这两个目标函数是互相矛盾的，利用多目标优化决策理论,结合实际情况，找到使结构的加固造价和损失期望协调起来的多目标满意解。
（3）结构可靠度理论的应用。充分考虑结构抗震加固设计中的各种不确定因素，在设计中，应使结构的分灾模式成为结构失效概率最大、失效损失较小的局部失效模式(第一道防线)。该失效模式的实现使加固前的现有结构）；其动力特性与加固后的结构有较大差别,从而有利于继续抵御地震作用(第二道防线)；同时该失效模式应是结构的一个容易修复的局部失效模式。
（4）加固后的结构应能满足现行规范的要求。在现行抗震规范中，乙类建筑与丙类建筑相比，主要是对抗震构造措施，即结构延性的要求不同。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆按基于分灾模式的抗震加固思想进行结构加固后，要想使加固后结构完全满足延性的要求，显然是有困难的，但综合考虑结构动力特性改变，可以消减结构地震反应的作用后，经过合理的设计，加固后的建筑是可以满足现行规范要求的。
（5）从结构加固的方法看，增设的分灾单元的局部构造原则是尽量吸收更多的地震能量，破坏后能够形成有效的消能机构。
（6）分灾单元破坏并形成有效的消能机构后，现有结构部分应能够抵抗后续的地震作用，并不产生过大的位移，以达到保护现有结构、实现结构抗震加固的目标。
1.3基于分灾模式的抗震加固方法优点：
（1）加固后不但可以提高原结构的抗侧承载力，同时能够提高结构的耗能能力。
（2）对地震作用的类型不敏感。当地震波的主要周期与结构自振周期一致时，可以通过分灾单元的破坏改变结构的自振周期，消减结构的地震反应；当地震波的主要周期与结构自振周期不一致时，加设的分灾单元提高了结构的抗侧承载力，可以保证结构不出现或减少破坏。
（3）抗震加固思想与基于性能的抗震设计方法中的投资-效益准则相一致。由于在地震中破坏的主要是加设的分灾单元，地震损失小，震后修复也较为简单。
（4）对原建筑的使用功能不产生任何影响，不会对原结构产生任何损伤。由于加固是在室外进行，这样在加固过程中和加固以后对原建筑和结构就不会产生影响，甚至于在建筑正常使用过程中也可以进行抗震加固。当然，采用本方法对建筑进行加固后，建筑外形会有一定的改变，也需要占用少量的室外用地，但结合加固建筑的特点，采用适当的分灾单元造型，与建筑师密切配合，通过建筑外形的改变可能使原建筑更加美观。
二、分灾结构抗震优化设计算例
选取一个算例，用SAP2000分析软件进行分析计算。算例为一个16层的钢框架结构，跨度为6×6m，层高为3.6m，结构为8度设防烈度，Ⅱ类场地，设计地震分组为第一组。算例只取其中一榀进行计算，不考虑框架平面外失稳。考虑屋面、楼面恒载为4KN/m2，活载为2KN/m2。钢材均采用Q235钢。计算分析方法采用时程分析法，地震波选用ELCentro地震波，去计算波长为0.02s，持续时间为 20s，最大峰值加速度amax=4m/s2。
本计算算例开始对没有加耗能支撑的框架进行计算分析，得出框架的内力与位移数据。然后在加上耗能支撑进行计算分析，得出框架的内力和位移数据。把这两组数据进行比较分析。通过计算，结构的截面和内力都满足要求。在小震作用下层间位移角都小于1/550，满足层间位移角限值要求。这里只提取分析了层间位移。由得出的数据进行分析可以得出以下结论：带耗能支撑的耗能分灾设计的结构位移，比不带耗能支撑的普通设计的结构位移要小很多。这主要是应为结构在遭受地震作用是，耗能支撑率先吸收和耗散部分地震能量。待支撑破坏后，传给主体结构的地震能量就削减很多，结构所受的地震作用就少，结构的响应减弱，于是结构的位移就减少。简单地说，就是通过耗能分灾，增加了整个结构体系的等效振型阻尼比，使结构体系承受的地震作用大大减少，结构的响应和位移就减少。
结束语
分灾模式下的高层结构抗震设计就是，在结构受到地震作用时，使结构发生预先设计好的概率最大的失效模式，在这种失效模式下，只是某些不重要的构件或是某个子结构发生破坏，消耗部分地震能量，从而使主体结构所受到的地震作用大大减少。而且这些耗能构件或是耗能子结构破坏后，并不影响主体结构的性能，主体结构仍可以单独承担地震作用。并且在这种失效模式下，结构的损失期望值最小。
参考文献
[1]杨磊.论高层建筑结构抗震的优化设计[J].建筑设计管理，2010.
[2]邵永玻.浅谈高层住宅建筑结构抗震优化设计[J].门窗，2012，07：158+160.
论文作者:封新华
论文发表刊物:《基层建设》2017年第35期
论文发表时间:2018/3/14
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