摘要：基于性能的抗震设计方法是未来发展方向，其中直接基于位移的抗震设计方法最能有效的实现基于性能的抗震设计思想，本文介绍基于位移设计抗震设计方法的基本思想，直接基于位移设计方法实现步骤，以供参考。
关键词：高层建筑；位移；抗震方法
1.前言
长期以来 ,各国抗震设计规范一直采用以确保人的生命安全为原则的一级设计理论。近期世界上几次大的地震灾害表明,这种理论在保证生命安全方面确实具有一定的可靠性,但对结构的损伤和由此导致的经济损失却不能进行有效的控制,比如 2008年5月12日，汶川发生8.0级强烈地震，损失严重；2010年1月12日，海地共和国发生7.3级地震，首都太子港及全国大部分地区受灾情况严重，房屋受损严重。历次地震灾害证明，必须要对建筑结构在地震作用下的行为进行有效控制，使建筑结构在地震作用下具有预期的抗震性能和安全度。基于对上述问题的深刻认识 ,美国学者在 90年代初率先提出了基于性能的抗震设计思想。在这种设计思想中,针对不同的设防水准、不同的结构,制定相应的性能指标,通过设计,使结构在不同水准地震作用下的响应满足预期的抗震性能指标。基于性能设计的抗震结构将会更经济、合理,且对于不同的设防水准,结构具有可预测的抗震性能。可以说,基于性能的抗震设计思想将是 21世纪世界各国抗震设计规范修订的主要理论依据。要实现基于性能的抗震设计思想,必须要对结构在地震作用下的行为 (比如结构的损伤 )进行有效的控制。基于强度的抗震设计方法以强度为指标来间接反映结构的延性需求,塑性变形程度,但是采用延性系数来衡量结构的损伤却有其局限性,而且将强度作为设计参数不直观,容易给人造成重视强度要求而忽视结构变形要求的错觉。而将位移作为控制结构行为的参数, 不仅可以与以应变为基础的损伤极限状态联系到一起 ,而且在宏观上还可以对结构的整体行为进行合理的控制, 比如 P - Δ效应、相邻结构物的碰撞等。另外,目标位移可以任意指定 ,而不仅仅是针对破坏极限状态 ,以实现结构的多级性能设计。因此近几年来,直接以位移为设计参数的抗震设计方法越来越受到重视并且得到了很大的发展,逐渐成为了实现基于性能抗震设计思想的一条有效途径。直接基于位移的抗震设计是直接以位移为设计参数,针对不同地震设防水准,制定相应的目标位移,并且通过设计,使得结构在给定水准地震作用下达到预先指定的目标位移,从而实现对结构地震行为的控制。
2.基于位移抗震设计思想
地震伤害以及地震实验和地震理论等分析都表明：楼房坍塌的主要原因就是楼层的变形能力不足。而位移只是对楼层的机构构件有影响。所以，现在楼房主要的抗震方法就是提高楼房对于位移结构的破坏性，简单来说就是加大结构变形的承受力度，已结构变形的最大值作为检测结构性能的唯一指标。位移的抗震设计大致可分为以下三种方法：按延性系数设计的方法、能力谱法和直接基于位移法。直接基于位移的设计方法更侧重于目标位移的实现过程，即如何设计。由此可以得出以下结论：直接基于位移的抗震设计方法更能有效的实现基于性能的抗震设计思想。
3.高层建筑直接基于位移抗震设计方法
Priestley和Calvi于2000年提出了基于位移的直接设计法。这种设计是当前理论较为成熟的基于位移的抗震设计方法之一。其根本思路为:第一,根据抗震机能标准来规范决定结构的目标位移,依据此计算等效单自由度体系的目标位移、等效质量和等效阻尼比。然后目标位移所对应的自振周期的问题,可以使用非线性位移反应谱来断定，从而,顺次认定等效单自由度体系的等效刚度和地震作用。最后,依据地震作用的大小完成每个部件的强度设计。
3.1 目标位移曲线确定
3.1.1 目标位移
直接基于位移设计法以变形（位移）作为设计变量，首先给出结构的目标侧移模式。一般取建筑结构某层达到相应层间侧移角限值时结构的侧移曲线作为目标侧移曲线，这需要找出结构最大层间位移角位置。结构最大层间侧移角出现位置，对于框架结构，可取底层及柱截面开始变化处的楼层；对于框架 - 剪力墙结构，可取侧移曲线拐点处的楼层；对于剪力墙结构，可取顶层。例如，根据 “小震不坏、 中震可修、大震不倒” 的设防目标，钢筋混凝土框架结构的层间位移角限值可对应的取1/550、1/100、1/50，设计中以此作为目标位移。
3.1.2 多自由度向单自由度体系的等效
在基于位移的抗震设计中，通常将多自由度体系结构转变为等效单自由度体系开展分析，然后,再将单自由度体系的等效地震作用转化到多自由度结构上进行设计。根据研究结果表明，结构各阶振型在弹塑性阶段的耦合效应可忽略，依据结构动力学非耦合振动定理，将结构总位移曲线看作是独立的各阶振型位移曲线的组合。因此，根据以上假定，可求出第 j 阶振型等效单自由度体系的相关参数：
式中，为第 j 振型等效单自由度体系等效周期，可由等效位移谱求出；为弹性阶段等效阻尼比，混凝土结构一般取0.05；为位移延性需求。
3.1.3 目标位移曲线建立
现阶段大多数采用结构第一振型侧移曲线作为初始侧移曲线，未考虑高振型的影响。但对于高阶振型显著影响结构的层间位移，特别是上部楼层，仅考虑基本振型可能会低估上部楼层层间位移需求，不能真正反映屈服基底剪力沿高度的分布，故采用第一振型侧移曲线无法准确估计高层建筑结构的性态。结构非藕合振动理论，位移反应谱理论和多自由度体系与单自由度体系的转换关系为建立考虑高振型影响的结构侧移曲线奠定了基础。根据结构的弹塑性位移曲线和弹性阶段类似的假设,确定结构横向性能曲线和所有订单模态目标横向。
3.2 静力弹塑性分析验证
直接基于位移的抗震设计方法需要有好的设计静态弹塑性分析，测试结构的初始设计,初步设计结果满足要求有以下参考方法:将满足不同性质的水平结构的基底剪力以及顶点的相差距在V-u坐标系中标出，连起来即为绩效目标的需求曲线。对设计好的结构做 pushover分析，将各性能水平pushover曲线对应的结构基底剪力和顶点相差距离（能力曲线）与需求曲线绘制于同一坐标系中。能力曲线与需求曲线基本重合或位于其上，说明所设计的结构满足性能目标要求，设计结果可靠。处于下方的话，说明所设计的结构不满足要求，应增加构件截面配筋或修改截面尺寸重新进行设计。
4.结束语
基于位移的抗震设计理论是以结构抗震性能分析为基础的结构设计，是设计理念上的一次变革，涉及结构抗震设计的各个方面，对工程结构的设计和发展具有十分重要的意义。利用该理论进行结构抗震设计，可以充分发展工程师的主动性，根据实际情况与业主的要求及其它条件自主的选择结构性能目标水准、结构措施等，满足人们对结构性能的不同要求。
参考文献：
[1]穆翠玲,王文俊.框剪结构抗震剪力墙数量的优化准则证明.世界地震工程,2003(1):154-157
[2]杨 溥,李英民.能力曲线折线简化方法对比研究.重庆建筑大学学报,2005,27(4):59-63
[3]罗文斌, 钱稼茹.钢筋混凝土框架基于位移的抗震设计.土木工程学报,2003(5):22-29
[4]梁兴文,黄雅捷.钢筋混凝土框架结构基于位移的抗震设计方法研究. 土木工程学报, 2005,38(9):53-60
[5]刘有军, 周建民.基于位移的 RC 框架结构抗震设计研究. 结构工程师,2003(3):1-6
[6]梁兴文,邓明科.钢筋混凝土高层建筑结构基于位移的抗震设计法研究.建筑结构,2006,36(7):15-22
[7]郭磊，李建中，范立础.直接基于为依据的结构抗震设计理论研究进展[J].世界地震工程，2005，（4）：157-164
[8]蒋欢军，郑建波，张桦。基于位移的抗震设计研究进展[J].工业建筑，2008,38（7）：1-5.
论文作者:冯晓斌
论文发表刊物:《基层建设》2016年19期
论文发表时间:2019/11/13
标签：位移论文; 结构论文; 曲线论文; 自由度论文; 方法论文; 性能论文; 目标论文; 《基层建设》2016年19期论文;