李浩君
陕西地建矿业开发环境治理有限责任公司 陕西 西安 710075
摘要：基于性能的抗震设计理论是近年来出现的全新地抗震设计理论，在工程结构领域引起了强烈反响，激发了结构工程师及学者的浓烈兴趣。各位专家学者纷纷积极地开展理论研究以及实践分析，并取得了长足的进步。从近年来的地震危害来看，以保证生命安全为准则的抗震设计理论虽然减少了人员伤亡，但是由此造成的经济损失往往也超出了人们的承受范围。在此背景下，提出的基于性能的抗震设计理论已经逐步成为了世界各国修订抗震规范的主要方向。
关键词：基于性能的抗震设计；Pushover；层间位移角
1 前言
在当前全球经济化不断蔓延的前提下，人口伴随着城市化的不断加快而不断汇聚，同时人们的财产也相对应的更加集中。人们在总结近几十年来地震灾害时惊讶的发现：即使是发生一些震级不大的地震，在地震影响的区域内造成的人员伤亡数目很少，但是相反地，却造成了极其严重的经济损失。例如1994年美国加州Northridge 地震, 虽然该次地震造成的人员伤亡数目达到57人次，但是造成的经济财产损失却达到了惊人的200亿美元；1995年在日本神户地震造成的经济损失近1000亿美元[1]。这一系列触目惊心的现象迫使全世界的结构工程师们不得不重新审视“小震不坏，中震可修，大震不倒” 抗震设计思想，我们不能仅仅考虑人的生命安全，也要考虑因为地震灾害造成的巨额的经济损失。可见，单一的基于生命安全原则[2]的传统的抗震设计方法已经难以当今经济社会人们的要求。在我国，进入二十一世纪以来，房地产市场迅猛发展，全国的私有的房屋数量逐年增加，类似的情况出现的越来越频繁，急需解决。基于以上因素，我们的建筑结构工程师们必须进一步深入研究全新的抗震设计理论。因此，在传统的抗震设计方法的基础上，一种全新的抗震理论应运而生--直接基于位移的抗震设计方法。
2 直接基于位移的抗震设计方法
传统的抗震设计理论是基于结构承载力的抗震设计，同时结合结构层间位移角限制。但是人们在实际生活中发现，以传统抗震理论进行设计的建筑结构，往往会在预估的罕遇地震的作用下不发生倒塌，但不能有效控制预估的强震和中等强度地震所带来的损失。
2.1等效单自由度体系
将多自由度体系转换成等效单自由度体系，如下图2.1所示
图2.1 等效单自由度体系
在将多自由度体系转换成为等效单自由度体系的过程中应该符合下列三个方面基本假定[3]：(1)多自由度体系按假定的侧移模式产生地震反应；(2)多自由度体系和等效单自由度体系的基底剪力相等;(3)水平地震力在两种体系中所做的功相等。
根据假定（1）可知，多自由度的位移向量 可用下式表述：
如下图2.2所示，根据基底剪力—定点位移关系图可知，最大位移 与其相对应的剪力相除所得到的结果就是其所对应地割线刚度也就是等效单自由度体系的等效刚度 ，其最大位移取得是等效单自由度体系的等效位移。根据动力学原理，等效单自由度体系的等效刚度和与之对应的等效基底剪力的函数表达式可以表述为：
在直接基于位移的抗震设计理论中,替换结构法是其重要的理论基础之一。在该抗震设计理论中，我们必须通过已知的位移反过来去得出结构受到的水平地震作用力。
替换结构法[5]原理如图3.3所示：
如上图所示，曲线OCAB，直线OA，直线OB分别表示结构Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ的力--位移曲线关系。从图中可以看出，结构Ⅰ和结构Ⅱ在图示点A处的力和位移关系是一样的，那么可利用结构Ⅱ求出结构Ⅰ在A点处的受力--位移关系，而且根据图示可以知道，结构Ⅱ表示的结构的弹性阶段。同样地，可利用结构Ⅲ求出结构Ⅰ在B点处的受力--位移关系。那么可以通过无数个类似于结构Ⅱ和结构Ⅲ的处于弹性阶段的结构来确定其各个位置的受力--位移关系。
利用结构替换法，只需要利用结构的弹性位移谱来求出结构Ⅰ在弹塑性阶段的各个时刻的受力--位移关系。相反地，如果已知结构Ⅰ在弹塑性阶段某个点的力--位移关系，带入结构Ⅱ中，那么就能很方便的求出结构Ⅱ在与之对应的等效周期，利用式（2.11）、（2.12）求出结构Ⅱ在该点处的基底剪力，根据前文已知的假定(2)可知，结构Ⅰ和结构Ⅱ在该点处的基底剪力相等，也即是说，我们能够求出结构Ⅰ在该点处的基底剪力。
2.3直接基于位移的抗震设计方法的计算步骤
具体的操作步骤如下[6]：
第一步，设计计算模型结构；
第二步，确定建筑结构的目标层间位移角；
第三步，确定结构初始目标位移曲线；
第四步，确定出框架结构的重力荷载代表值，然后计算等效后的单自由度体系的等效位移及质量；
第五步，计算等效后的单自由度体系的等效阻尼比、等效周期、等效刚度；计算出基地总剪力及其各楼层剪力分布情况。计算求解等效单自由度体系的等效阻尼比时，u的取值一般可按以下方式确定：要求结构使用良好，则可取u=1.0；要求结构保证人身安全，则可取u=2.0；要求框架结构不到，则可取u=3.0—4.0
（6）将求得的水平地震效应与重力荷载效应进行重新地内力组合，求得此时的结构构件的承载力，然后对构件进行配筋计算，同时也必须要进行必要的构造措施，保证所计算求得的构件具有足够地抗变形承载能力。
（7）对结构模型进行静力弹塑性Pushover演算，对比初始曲线与进行静力弹塑性分析得到的曲线的一致性。若需修正，选用修正后的侧移曲线对结构重新进行计算，评价原框架结构是否满足在该抗震要求下的设计要求。
3结语
直接基于位移的抗震设计在最近几十年飞速发展，在许多国家已经运用到抗震设计规范当中。在我国，二十一世纪以来，我国的众多专家学习者都进行了深入细致的理论研究，在剪力墙结构及框架结构方面已经取得了突破性进展。但从实践应用的角度出发，尚未确定符合我国地震运动特征的反应谱，导致在进行经理弹塑性分析时存在较大误差。鉴于以上疑问，仍然需要我们的工程师们在理论分析和实践运用方面进行更加深入的探索。我相信通过广大专家学者的辛勤研究，在不久的将来一定能够取得飞跃性的突破，为我国的抗震设计研究做出卓越贡献。
参考文献
[1]谢晓健,蒋永生,梁书亭,许巍.基于结构功能设计理论的发展综述[J].东南大学学报.2000,第30卷第4期.
[2]Bertero V.V.State-of-the-art Report on Design Criteria.Proc.11th World Conf. Earthquake Engineering[S].Mexco,Paper No.2005,2006.
[3]梁兴文,黄雅捷,杨其伟.钢筋混凝土框架结构基于位移的抗震设计方法研究[J].土木工程学报.2005,第三十八卷第九期:53-60.
[4]P.Gulkan, M.A.Sozen. Inelastic responses of reinforced concrete structures to earthquake motions[J].Journal of the American Concrete institute.1974.
[5]田野.钢筋混凝土框架结构直接基于位移的抗震设计理论及方法[D].西安建筑科技大学硕士论文.2003:25-27.
[6]吴波等.一种直接基于位移的结构抗震设计方法[J].地震工程与工程振动.2005,第25卷第2期.
论文作者:李浩君
论文发表刊物:《防护工程》2018年第25期
论文发表时间:2018/12/5
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