建筑结构基于位移的抗震设计

高翠平

摘 要：建筑结构的抗震性能直接关乎居民的生命安全，因此如何切实提升建筑结构的抗震设计逐渐成为建筑行业的重大难题之一。研究表明建筑结构构件的位移与建筑结构的抗震能力相关。本文将通过对基于位移抗震概论、优势以及当前抗震设计存在的难题进行分析，探索建筑结构基于位移的抗震设计方法。

关键词：建筑结构;位移;抗震设计

一、引言

地震灾害的发生会给当地居民带来毁灭性的打击，严重影响了社会的发展与进步。近些年来的震害及理论研究表明， 变形能力不足和耗能能力不足是结构在大震时倒塌的主要原因。[1]基于位移的建筑结构抗震设计主要就是通过改变变形能力和耗能两方面的因素来提升建筑本身的抗震能力。

二、建筑结构基于位移的抗震设计的概论以及方法

1. 建筑结构基于位移的抗震设计的概论

地震波的发现揭开了地震神秘的面纱，同时也推进了抗震技术的发展。基于位移的抗震设计就是在预期设定的地震作用之下，以建筑结构的位移为研究对象，通过分析在地震作用下建筑结构的位移来设计能够满足一定抗震要求的建筑结构。基于位移的抗震设计可以更加准确地反映结构在受到地震作用时的具体表现。对于有抗震要求的建筑工程而言，采用基于位移的抗震设计可以更好地达到项目的设计要求。

2. 建筑结构基于位移的抗震设计方法

2.1延性系数法

延性系数法也被称为能力设计法，主要就是利用建筑结构或者构建的变形能力进行抗震设计。在延性系数法中有两个概念，一个是可资利用的延性，另一个是要求延性。前者是指某一固定的建筑结构拥有的延性，后者指的是建筑工程要求的建筑结构拥有的延性。钱稼茹先生提出了等效单自由度体系，在完成目标延性和唯一要求的求解之后，就是完成最大侧移的转换，在转化为结构之间的层间位移之后就可以利用侧移解构规则将其对结构的唯一转化为构件的变形要求。延性系数法拥有一定的物理理论知识作为支撑，所以也就成为了很多基于位移的抗震建筑设计的重要方法之一。然而，具体的建筑结构和构件的延性会受到实际工况的影响。另外，延性系数法的使用要求比较严格。只有在假定的屈服机制下切所有的塑性铰同时出现在固定位置的条件之下才能使用延性系数等量变化指标。由此可见，延性系数法不能准确的反应结构的抗震能力。

2.2能力谱法

能力谱法是将静力弹塑性分析所得到的力-位移的曲線转化为等效单自由度的速度-位移曲线。前者被称为能力谱，后者是需求谱。将能力谱和需求谱同时放在一个坐标系当中就可以通过对比发现抗震性的好坏。能力谱法可以准确的反应弹塑性阶段建筑结构的变化。近年来，随着研究的不断深入，数据分析的准确程度也在不断提升。能力谱法是基于力分析的抗震设计，其中涉及到构建的弹塑性并且有严格的实验结果作为理论基础，所以该抗震设计方法得到了很多建筑工程团队的使用。

2.3基于位移的直接设计方法

基于位移直接设计就是根据地震加速度和规范加速度反应谱建立不同阻尼比的设计位移反应谱。首先需要确定机构的等单自由度体系的目标位移。目标位移的求解需要需要分层进行，屈服层位移、塑形层位移之和代表单层总位移。计算过程中还涉及到了构件截面的屈服曲率、混凝土的压应变等参数的应用。随后是进行等效单自由度体系等效质量、等效阻尼以及等效刚度等相关系数的计算。每一步参数计算都是环环相扣，因此计算过程需要进行仔细检验，避免因为参数计算错误导致建筑结构抗震效果无法达到预期目标现象得到产生。建筑结构的抗震能力的计算是在所有构件都达到预期变形的前提下展开的。然而，实际的建筑工艺很难保证在地震来临之时所有的构件都达到预期状态，所以抗震能力也很难达到预期目标。

三、建筑结构基于位移的抗震设计的优势与特点

1. 明确地震时混凝土结构的形变

基于位移的抗震设计的本质就是通过分析地震对建筑结构和构件在变形方面的影响来计算选择合适的构件和结构的。地震发生时，剧烈的波动会导致混凝土结构产生塑性形变，更甚者混凝土结构会被撕裂。只有明确形变的方式之后，才能设计出更加符合科学原则的抗震方案。

2. 抗震性能好

传统的抗震建筑结构只是从材料强度的方面提升整体建筑的抗震效果。然而，这样的建筑工程在抗震方面并不具有优良的特性，抗震考验的不仅是建筑材料的强度，同时也是对建筑结构和构件承载力的一种考验。然而，基于位移的抗震设计就充分的利用了结构和构件的形变能力来实现抗震的作用，该抗震设计方法具有严密的科学公式推到，所以可靠性更强、抗震能力也更强。

3. 可靠性强

无论哪一种基于位移的抗震设计方法都是通过精确地计算得到的结构方面的数据。需要进行计算的原始数据都是通过测量得到的多，目前测量技术的飞速发展为计算结果的准确性奠定了坚实的基础。设计人员在进行抗震设计时会考虑到多方面的因素，这也是影响抗震效果关键。基于位移的抗震技术的理论研究成果越来越丰富，这种抗震技术在建筑项目中的应用也越来越普遍。

四、基于位移的抗震设计面临的问题

1. 确定目标位移曲线

只有确定了目标位移曲线才能对其进行分解，并将位移分解到不同的构件上。地震发生时，建筑结构会因为受力不均发生形变进而产生位移。位移的轨迹受到地震强度、建筑结构、构件强度等多方面因素的共同影响。另外，在建筑受到不同强度的地震影响之后表现出来的力学性能也不尽相同，每个建筑结构都有其自身受力的极限，在超越极限后，结构受到破坏位移的计算工作将会很难开展。

2. 静力分析

受力分析是抗震设计的关键步骤。建筑抗震能力的强弱就是建筑结构承载力好坏的直接体现。地震时产生的力作用在构件上的方向具有很强的随机性，受力分析的关键就在于受力的大小与方向。另外，地震时产生的力的种类也很多，不同种类的力具有其自身的特征，如果进行分析时没有明确力的种类，分析结果的可靠性将会严重降低。

3. 构件延性研究

构件延性分析对于抗震建筑构件的选择至关重要。只有明确每一个特殊构件的延性特性才能再设计是选择合适的建筑结构和构件。然而，构件的特性受到构件材料、构件的所处环境等方面因素有关。这就给构件延性的研究带来了很大的困难。很多建筑工程的环境比较复杂且恶劣，所以构建的实际延性往往无法达到理论延性。由此可见，构件延性的研究工作需要采用控制变量法进行多次实验。

4. 等效阻尼比确定

当建筑构件屈服进入弹塑性阶段后，构件滞回耗能产生的指挥组你可以使用等效阻尼比来代替。阻尼比大小的调节与地震强度有关。难点在于影响构件滞回耗能的因素比较繁杂，所以阻尼比的确定过程比较复杂。等效阻尼比虽然可以简化计算过程，但是计算结果的准确性受到了严重的影响。大多数形况由于影响因素过多，所以等效阻尼比最终只能确定在一个范围之内。

五、总结

延性系数法、能力谱法以及基于位移的直接设计方法都是基于位移的抗震设计方法，但是每一种方法的理论依据又有所不同，各自的优势与缺点也十分的明显。不同的建筑环境可以选择采取适当的方法用以提升抗震效果。虽然基于位移的抗震设计抗震效果较好但是需要设计人员拥有很强的专业素养。未来基于位移抗震技术的发展将会逐渐趋于成熟，建筑行业抗震工作也将迎来春天。

参考文献：

[1]建筑结构基于位移的抗震设计方法研究[J]. 同济大学土木工程学院 上海200092

[2]基于位移的高层建筑结构防震设计分析[J]. 张海民，孔德领. 黑龙江科技信息. 2009（13）

[3]高层钢筋混凝土结构位移比的调整[J]. 任冬云，施卫星，付磊. 低温建筑技术. 2009（10）B50119C7-81B0-4E53-8F76-9AC18EB55F71