1、浅析结构设计中的位移抗震设计 摘要：文章主要就现代高层建筑结构设计中的位移的抗震设计要点进行分析。并且结合在自身的工作实践中介绍设计的基本方法和设计过程。 Abstract: The article is mainly analysis of modern high-rise building structure design of displacement-based seismic design points together with the combination of their own work practice and introduction on the basic desi
2、gn method and design process 关键词：设计思想；实践设计；抗震设计 Key Words: design concept, practice design, anti-seismic design 中图分类号： TU318 文献标识码： A 文章编号： 1、基于位移的抗震设计思想 现代的建筑结构设计时，对建筑的抗震要求是具有足够的刚度和承载力以抵御小震，具有足够的变形 和耗能能力以抵御大震。震害、实验和理论分析都表明，变形能力不足和耗能能力不足是结构在大震作用下倒塌的主要原因。结构构件在地震作用下的破坏程度与结构的位移响应和构件的变形能力有关，用位移控制结构在大震作用
3、下行为更为合理。在基于力的抗震设计基础上，这种新的设计方法以预期的结构位移反应为设计目标，实现了结构在设计地震作用下预期的性能要求，以结构、构件的变形能力设计为依据，设计者可更好地控制结构在地震作用下的行为，防止结构由于变形能力不足而破坏。基于位移的抗震设计的基本思想是基于 “ 投资 效益 ” 准则和强调结构 “ 个性 ” ，即在未来抗震设计中，在不同强度水平地震作用下，能够有效地控制建筑的破坏状态，使建筑物实现明确的不同性能水平，从而使建筑物在整个生命周期内，在遭遇可能发生的地震作用下，总体费用达到最小。 2、基于位移的抗震设计方法分析 基于位移的抗震设计是一种以变形位移、层间侧移角为性能指
4、标，进行结构及构件的设计。在这种方法中，位移是已知的给定输入量，而强度和刚度则是设计的输出结果。基于位移的抗震设计方法目前大致可以分为用位移延性系数设计的方法、能力谱设计方法。 2.1 按延性系数设计的方法 延性系数法是利用的延性和要求的延性对应结构或构件的需求延性，即目标延性的计算方法，将延性需求和可资利用的延性作对比，以评价结构的抗震性能并用于考虑扭转影响的延性结构基于位移的设计。延性反映了结构或构件非弹性变形的能力。这种能力能保证强度不会因为发生非弹性变形而急剧下降。延性通常包括结构延性、构件延性和截面延性。其中结构延性又称为整体延性，构件延性和截面延性又称为局部延性，结构的整体延性与结
5、构中的构件的局部延性密切相关。结构延性可以用顶点位移延性或层间位移延性来表示构件延性与塑性铰区长度和截面延性等 有关截面延性与其几何形状、混凝土强度、轴压比、纵筋配筋率和含箍特征值等因素有关。衡量延性的量化设计指标，最常用的是曲率延性系数和位移延性系数，二者的定义为截面构件屈服后的曲率位移与屈服曲率位移之比。设计中一般关心的是最大曲率位移延性系数，用公式表示如下： 式中，准和准分别表示塑性铰区截面的极限曲率和屈服曲率；和分别表示延性构件的极限位移和屈服位移。按延性系数设计的方法实际上是通过建立构件的位移延性系数或截面曲率延性系数与塑性铰区混凝土极限压应变的关系，由约束箍筋来保证核心混凝土能够达
6、到所要求的极限 压应变，从而使得构件具有要求的延性系数。使用此种方法时必须认识到所选择的位移延性水平将直接影响到结构的地震破坏程度。用位移延性系数描述构件的弹塑性变形能力最大的问题是如何定义结构和构件的屈服位移和极限位移。不同的定义得到的延性系数可能相差很大。通常屈服位移是指临界截面受拉钢筋屈服时的位移，极限位移是指临界截面最外边缘受压混凝土达到极限压应变时的位移。然而在具体计算时，对屈服位移和极限位移存在不同的理解，特别是当荷载 位移曲线无明显的转折点时以及荷载 位移曲线有下降段时。 2.2 能力谱法 能力谱设计方法的基本思想是：对己设计好的结构进行静力弹塑性分析，将分析的结果基底剪力 顶点
7、位移关系曲线转化成一条能力谱曲线（加速度Sa 与位移 Sd 关系曲线），同时将设计地震反应谱曲线转化成一条需求谱曲线。将这两条曲线放入同一坐标系中，若两曲线相交，可以求得交点（性能点）的位移，此位移称为结构的目标位移。同时根据图示的方法可以直观的评价结构在给定地震作用下的性能。若两曲线无交点，说明结构需要加固处理或需要重新设计；如交点存在，可以根据交点的坐标反推出结构所处的状态。能力谱法计算步骤如下： （ 1） 按规范进行结构承载力设计； （ 2）用静力弹塑性分析方法计算结构的基底剪力 Vb 与顶点位移 Un。 （ 3）建立能力谱曲线。 对于高度不是很高、地震反应以第一振型为主的建筑结构，可以
8、用等效单自由度体系代替原多自由度体系分析结构。因此，可以按下式将 Vb-Un 曲线转换为谱加速度 Sa 与谱位 Sd 关系曲线。 （ 4）建立需求谱曲线，提高结构和构件的延性水平。结构的延性一般用结构顶点的延性系数表示： 式中：结构顶点屈服位移； 结构顶点延性系数； 结构顶点 弹塑性位移限制。 一般认为，在抗震结构中结构顶点延性系数应不小于 3-4。结构的顶点位移 是由楼层的层间位移累积产生的，而层间位移又是由结构构件的变形形成的。因此，要求结构具有一定的延性就必须保证结构构件有足够大的延性，主要抗侧力的钢筋混凝土构件的极限破坏应以构件弯曲时主筋受拉屈服破坏为主，应避免变形性能差的混凝土受压或
9、剪切破坏以及钢筋锚固失效和粘结破坏。为提高结构和构件的延性水平，避免脆性破坏，应主要注意以下两点： a.轴压比限制。轴压比是控制偏心受拉边钢筋先到抗拉强度，还是受压区混凝土 边缘先达到其极限压应变的主要指标。根据试验研究表明，柱的变形能力随轴压比增大而急剧降低，尤其在高轴压比下，增加箍筋对改善柱变形能力的作用并不甚明显。所以，抗震结构应限制偏心受压构件的轴压比。 b.剪压比限制。现行的钢筋混凝土构件斜截面受剪承载力的设计表达式，是基于斜截面上箍筋基本能达到抗拉屈服强度，其受剪承载力随配箍特征值的增长呈线性关系。试验表明，配箍特征值过大时箍筋不能充分发挥其强度，构件将呈腹部混凝土斜压破坏；同时剪
10、压比对构件变形性能也有显著影响，因此限制剪压比，实质上也是对构件最小截面的要 求。 （ 5）检验结构的抗震能力。 将能力谱曲线和某一水准地震的需求谱画在同一坐标系中，若两条曲线没有交点，表明结构的抗震能力不足，预期结构会发生不可修复的破坏或倒塌，需要重新设计：若两条曲线相交，表明结构能够抵抗该地震作用，交点对应的位移即等效单自由度体系在该地震作用下的谱位移。将谱位移按式转换为原结构的顶点位移，根据该位移在原结构 Vb-Un曲线上的位置，即可确定结构在该地震作用下的塑性铰分布、杆端截面的曲率、截面边缘混凝土的压应变等，综合检验结构的抗震能力。与以力为基础和以位移为基础的 2种抗震设计方法相比，能
11、力谱方法的特点是将能力和需求用位移与加速度关系由图给出，表征结构性能的 4 个基本参数分别由加速度 Sa，位移 Sd，延性系数 U 和弹性周期 T 表示，能力与需求图能清晰地表示出结构的抗震能力与其地震响应的关系，概念明确，设计参数容易控制。当知周期和目标延性时，用能力谱方法进行的估算就是以力为基础的设计过程；当已知目标位移和延性时，用能力谱方法进行的估算就是以位移为基础的设计过程，说明用能力谱力法可以适应以力为基础和以位移为基础的 2 种抗震设计的需要。 3、小结 随着高层与超 高层建筑的不断出现，震害对这些建筑的威胁越来越严重，对高层建筑的抗震分析也越来越具有广泛而现实的意义。当前，相应的工程时间研究者已取得很多成果，如弹塑性分析方法、能力谱方法等，但是在应用方面还存在许多不足，因此，需要设计和工程实践人员不断研究。 参考文献 姜锐 .建筑结构基于位移的抗震设计方法研究 J.太原科技大学学报，2005. 吴波 .直接基于位移可靠度的抗震设计方法中目标位移代表值的确定 J.地震工程与工程振动， 2002. 刘有军 .周建民基于位移的框架结构抗震设 计研究 J.结构工程师，2003.
