钢筋混凝土框架结构抗震设计方法研究

徐邹影

（滁州职业技术学院，安徽 滁州 239000）

钢筋混凝土框架结构抗震设计方法研究

徐邹影

（滁州职业技术学院，安徽 滁州 239000）

地震灾害的频繁发生使得人们更加关注建筑的抗震设计。如果建筑物的抗震性不达标，会导致人员伤亡和财产损失。本文分别对基于性能的、位移的以及能量的钢筋混凝土框架结构设计方法进行了分析讨论，并提出了一些设计时的具体控制要点。

地震灾害；钢筋混凝土；抗震设计

本文对钢筋混凝土框架结构的抗震设计方法进行研究。钢筋混凝土框架结构的抗震设计方法有很多种，设计师们主要基于性能、位移及能量进行抗震设计，接下来从这三方面对钢筋混凝土框架结构的抗震设计方法进行研究及讨论。[1]

一、基于性能的钢筋混凝土框架结构抗震设计方法

基于性能的抗震设计与传统单一抗震设防目标相比推广了新的概念，也可以说它给了抗震设防标准一个能够进行自主选择的空间。对结构的性能水平进行评价时，位移、力、能量、损伤、速度和加速度等物理量可以比较明确的表述性能水平[2]。

在震后，为了使结构能够发挥其原有的功能，控制结构的损伤就尤为重要，这是基于性能的抗震设计的重要内容。结构损伤的评判指标包括梁柱塑性铰转动量、楼层之间的位移及位移角等，所选取的评判指标可准确的体现结构构件的损伤程度，也能够控制非结构构件的性能水平。基于性能的抗震设计要求对结构破损的状态进行量化处理，本文采用需求能力比来量化结构的性能水平，应用如下表达式进行计算[3]:

D/C≤DI

式中D——变形需求量值；C——极限变形能力值;DI——最大可接受破损指标。

钢筋混凝土框架结构需要对塑性铰区的破损程度进行限定，塑性铰区即为结构的关键受力区域，如下表达式可体现:

θplb/θuplb≤DI

θplc/θuplc≤DI

θplb，θuplb——梁塑性铰转动需求量及极限变形能力；

θplc，θuplc——柱塑性铰转动需求量及极限变形能力。

根据我国目前实行的抗震规范多水准设防目标，基于性能的钢筋混凝土框架结构抗震设计可参考现在实行的两阶段抗震设计，采取类似的做法，分两部分进行实施:

（1）根据地震多发地区所对应的设防目标来调整结构刚度，这是为了满足层间位移角限值，从而获得结构设计的基底剪力，并以此为根据进行构件截面设计，由此实现第一步分的性能目标。

（2）接下来实现第二部分的性能设计。首先确定在大型地震中建筑结构的位移需求，验算层间弹塑性位移角θp。为使构件的变形能力满足其性能要求，需要对构件变形能力进行设计，并以这个部分变形需求和性能目标作为设计依据。如果结果不满足第二部分预设的性能目标，则需对第一部分的设计进行修改与调整。

二、基于位移的钢筋混凝土框架结构抗震设计方法

在基于位移的抗震设计中，设计者以结构的变形及变形条件作为设计决策的前提，在这里用位移来表示结构变形量。因为基于位移的设计方法能合理并且更加直接的在抗震设计中被应用，近年来在抗震设计中提出了多种基于位移的设计方法[1]。

钢筋混凝土结构基于位移的抗震设计主要有两个方面，首先根据目标位移来确定结构基底的剪力，来设计构件截面的承载力；其次是以目标的位移延性作为参考来确定构件截面的曲率延性，进而设计构件截面的变形能力[2]。

在基于位移进行抗震设计时，最好选取层间位移角作为参数。首先层间位移角在结构响应的所有参数中是比较容易得到的，而且能与现行的抗震设计规范很好的联系起来，其次位移与结构抗震性能间的关系以及结构的层间高度的影响能够通过层间位移角能很好地反映出来。此方法通过结构等代来进行求解，主要是将多自由度体系向单自由度转换。步骤如下[13]：

（1）进行初步结构设计，确定建筑的柱网和层高及结构构件的截面尺寸，并算出质点的质量mi。多自由度体系中所有质点的质量都要计算。

（5）把多自由度体系与单自由度体系做等效处理，算出等效质量Meff、等代结构等效位移ueff、等效周期Teff、等效刚度Keff、等效粘滞阻尼ζeff。

（7）计算结构构件截面内力的设计值，把结构的水平地震作用效应和与其相对应的重力荷载效应组合起来。之后对构件截面的承载力进行计算。为保证建筑结构的变形能力达到现行标准，需要采取一定的结构构造措施。

（8）之后分析结构的非线性静力，并校核结构的位移形状，与预先假定位移形状进行对比，来判断是否一致，如果两者不一致，则对结构的强度和刚度的分布进行调整和修改，来达到预期效果。

（9）最后对构件的变形能力及其强度需求进行评价。

三、基于能量的钢筋混凝土框架结构抗震设计方法

针对钢框架结构，Shen和Chou分别提出了不同的基于能量的抗震设计方法，这两种方法都可以在实际工程中运用[4-7]。Shen提出了应用弹塑性时程来分析小样本量回归的设计方法，得出关于能量输入及能量分配的统计学规律，但是此方法假定EH沿高度线性分布，这并不符合实际情况，导致其没有很高的实用性。Chou在确定输入的能量谱时采用了地震能量传播理论，然后再计算EH。虽然这是个创新的方法，前人从未应用过位移谱与MPA结合这种方法来计算EH分布，但其局限性在与计算过程中应用了大中小震分布插值的方法，这种方法使用的模型过于复杂，难以保证其计算精度，并且没有考虑到MPA方法的适用条件。于此同时在性能验算中两种方法均没有考虑到变形指标，也没有关于构件设计的具体方法。

然而程光煜根据上述已有的研究，在他们的基础上还充分考虑了滞回耗能指标及结构的变形，提出了一套基于能量的抗震设计的完整流程，给出了更加具体的构件设计方法。程光煜的研究使基于能量的抗震设计方法更加实用化[8]。

基于能量的抗震设计首先需要确定结构的抗震承载力需求以及相应的变形需求，之后还需确定总输入能量EI和累积滞回耗能比EH／EI。

在取得总地震输入能量EI和累积滞回耗能需求EH后，接下来要确定结构中的耗能分布，即EH的分布，这是实现基于能量的抗震设计的关键部分。但是没有经过充分研究并合理设计的结构的耗能分布会有很大差异，即使在结构形式相同的情况下也是如此，这是由于影响结构抗震性能的因素很多，很难做到有效控制[9]。

在受到强震作用时，基于能量的抗震设计需要落实到构件的层次上，这样建筑整体结构的耗能分布才能达到预期的水平，因此需要对结构损伤的耗能机制进行控制性设计。结构类型和结构体系决定了结构损伤耗能机制的控制，在特定的结构体系中，预期损伤耗能构件通常是在屈服破坏后对整体结构的竖向承载力影响比较小的构件，主结构构件通常是在屈服破坏后对整体结构的竖向承载力影响比较大的构件。在区分了结构体系的主次结构构件之后，通过对能力比设计进行控制，再强震作用下使次结构构件先屈服，进入弹塑性阶段来耗散地震能量。在地震作用下，主结构构件仍然可以基本保持弹性状态，因此主结构构件仍然能够控制建筑整体结构的振动性态及耗能损伤机制。在抗震设计中通常用以下两种方法对主次结构构件能力比进行调整:

（1）相应提高主结构构件能力系数。重点是要提高主结构构件弹性变形的能力，来提高整体结构的第二刚度，通常采用高强高性能结构材料并需要合理的布置结构。

（2）进行合理的结构布置来形成主次结构，使建筑结构受到地震的作用时，次结构构件先屈服，从而把能量消耗掉，减少对主结构构件的影响。因此需要对结构构件对侧移变形敏感程度进行调整：将主结构构件布置为不敏感形式，次结构构件则布置为敏感形式，使损伤耗能机制更加稳定。

总结

做好建筑结构的抗震设计能够很大程度上减少地震带来的生命财产损失。因此在本文的研究中以钢筋混凝土框架结构为研究对象，以结构抗震设计为主线，基于性能，位移和能量三方面对钢筋混凝土框架结构的抗震设计进行了分析。在抗震设计中应注意对结构荷载能力的合理设定，从而保证建筑质量的可靠性。

[1]杨君.钢筋混凝土框架结构基于位移的抗震设计理论和方法[D].西安：西安建筑科技大学，2007.

[2]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，2005，38(09)：53-60.

[3]周定松，吕西林，蒋欢军.钢筋混凝土框架结构基于性能的抗震设计方法 [J]．四川建筑科学研究，2005，31(09)：122-127.

[4]Akbas B,Shen J,Hao H.Energy approach in performancebased seismic design of steel moment resisting frames for basic safety objective.Structural Design of Tall Buildings,2001,10 (03):193-217.

[5]Chou C C,Uang C M.Establishing absorbed energy spectra -an attenuation approach.Earthquake Engineering& Structural Dynamics,2000,29(10):1441-1455.

[6]Chou C C,Uang C M.A procedure for evaluating seismic energy demand of framed structures. Earthquake Engineering&Structural Dynamics,2003,32(02):229-244.

[7]Shen J,Akbas B.Seismic energy demand in steel moment frames.Journal of Earthquake Engineering,1999,3(04): 519-559.

[8]缪志伟，马千里，叶列平.钢筋混凝土框架结构基于能量抗震设计方法研究[J]．建筑结构学报，2013，34(12)：1-10.

[9]叶列平，程光煜，曲哲，陆新征.基于能量抗震设计方法研究及其在钢支撑框架结构中的应用 [J]．建筑结构学报，2012，33(11)：36-45.

TU375.4

A

1671－5993（2016）04－0041－03

2016-05-16

徐邹影（1987-），女，安徽滁州人，滁州职业技术学院土木工程系助教，硕士研究生。