抗震结构的优化分析

摘要：我国是世界上地震灾害最严重的国家之一，因此对新建和既有建筑是否具有足够的抗震能力十分重视。钢筋混凝土结构是目前我国建筑结构的主要型式，其抗震能力是保障人民生命财产安全的重要指标。大量既有钢筋混凝土结构原设计的依据标准过低，加之耐久性及结构已有损伤等因素的影响，如何评估建筑结构的抗震能力成了非常重要的课题，迫切需要发展一套方法来定量评估抗震能力，使得抗震能力不足的建筑结构能及早加固或拆除。本文的目的就是结合我国最新的建筑工程抗震性态设计通则和现行建筑抗震设计规范、混凝土结构设计规范以及抗震设防标准，提供一套评估钢筋混凝土建筑结构抗震能力的定量方法。 关键字：抗震结构 抗震能力评估 优化设计 1.1结构抗震设计的背景与意义

地震是一种突发性和毁灭性的自然灾害，它对人类社会的危害首先是引起建筑物的破坏或倒塌将导致严重的人身伤亡和财产损失，其次是引起的水灾、火灾等次生灾害将破坏人类社会赖以生存的自然环境，造成严重的经济损失，产生巨大的社会影响。因此，地震工程在各国的科技研究中一直是重要的研究课题。

我国是世界上地震最多的国家之一。20世纪以来，全球发生7级以上地震1200余次，其中十分之一在我国。1976年7月2S日的唐山7.8级大地震，使一个拥有百万人口的现代化工业城市顷刻间毁于一旦，造成24万多人死亡，16万多人受伤，经济损失近百亿元。1999年9月21日，省花莲西南发生里氏7.6级地震，震中距地面仅一公里，造成许多房屋倒塌，经济损失惨重。我国地震部门预测，在2020年前，我国可能发生10余次7级以上地震，甚至有发生8级左右地震的可能。因此，建筑结构的抗震安全成为各级和土木工程界普遍关心的问题。

建筑抗震评估和加固的实践及震害经验均表明，对既有建筑进行合理的抗震评估，并对不满足抗震要求的建筑采取适当对策，是减轻地震灾害的重要途径。随着我国经济的发展和人民生活水平的提高，对既有建筑的抗震评估工作已逐渐被提到议事日程上来。目前我国大量既有建筑中以钢筋混凝土结构和砌体结构为主，由于大量既有砌体结构建成年代较为分散、原设计抗震性能较差、且进行抗震评估加固的费用占原建设费用比例较大、加固效果相对并不明显;相比之下，既有钢筋混凝土结构建成年代相对较为集中，且原设计抗震性能较好、进行评估并加固的费用占原建设费用比例较小、加固效果明显。因此，本文主要针对钢筋混凝土结构抗震能力评估问题展开研究。

抗震鉴定是针对既有建筑而言的，其评定的尺度就是抗震鉴定标准。抗震能力评估既可评估既有建筑，也可评估新建的建筑。目前基于结构性能的抗震设计理论，其目的是设计出一种新型建筑物，当其遭受不同的地震作用时，具有不同的抗震性能。这样，业主就有对多种性能目标做出选择的可能性。因此，对于既有建筑结构，正确地评定其抗震能力，并据此进行合理的抗震加固，对于最大程度地降低震害损失以及保护人民生命财产安全，具有重要的意义。 1.2影响建筑结构抗震能力的主要因素

建筑结构抗震能力是指整体建筑结构抵抗既定烈度(地面运动加速度)的地震作用的能力，它由建筑结构的承载力与变形能力共同决定。在相同的地震作用下，建筑结构抗震能力的强弱决定了结构地震损伤程度的大小;而对罕遇地震的作用，建筑结构抗震能力的强弱则决定了它倒塌的风险程度的大小。建筑结构的

抗震能力不仅取决于建造结构所用的材料以及施工质量，更取决于合理的抗震设计。一般来说，影响建筑结构抗震能力的主要有以下几个方面的因素: (1)结构总体的布置

①结构体形要简单。结构体形不规则，平面上凸出凹进，立面上高低错落，均不利于抗震，往往造成比较严重的震害。因此，建筑结构体形要简单，已成为抗震设计的基本原则之一。 ②结构力求对称。非对称结构即使在地面平动分量作用下也会发生扭转振动，从而造成比较严重的破坏。所以，整个建筑或其单元应尽量做到结构对称，质心与刚心重合或偏离甚少。

③强度和刚度应连续均匀变化。近年来，国内外的弹塑性时程分析结果表明，即使是单层结构，其构件的抗推刚度和“屈服强度比”沿竖向若有突变，则在突变部位会因出现较大的“塑性变形集中”而发生严重破坏甚至倒塌。所以在确定结构方案时，应该尽量避免这种情况。 (2)结构的选型

①合适的结构类别。就结构件料的抗震性能而言，钢筋混凝土结构优于砖结构;砖结构中，配筋砌体结构优于无筋砌体;配筋砌体中，组合砌体结构又优于在砌体灰缝内直接配置钢筋的结构。就构件型式的抗震性能而言，墙体优于框架或排架，简体优于单片墙体，空间框架优于平面框架。 ②超静定次数要多。超静定结构在超负荷状态下工作时，破坏首先发生在赘余杆件上，该杆件在出现塑性铰的过程中消耗一部分地震输入能量，其后果仅仅是降低了结构的超静定次数，整个结构仍不失为一个稳定体系，仍然具有较好的抗震能力。结构的超静定次数愈多，消耗的地震输入能量也就愈多，抗震可靠度就愈高。就平面结构的抗震性能而言，框架优于排架，刚接框架优于半刚接和铰接框架，多肢并联抗震墙优于多片的单肢抗震墙，交叉腹杆(双系)支撑体系优于单腹杆支撑体系，带支撑框架优于单一框架。

③耐震的屈服机制。结构的屈服机制可以划分为两个基本类型:楼层机制(S一机制)和总体机制(0一机制)。“弱柱强梁”型框架属于楼层机制，并联多肢抗震墙和“强柱弱梁”型框架均属总体机制。总体机制的塑性铰数量多于楼层机制的塑性铰数量，总体机制结构的层间位移沿竖向分布比较均匀，而楼层机制结构不仅层间位移分布不均匀，而且薄弱楼层处存在着塑性变形集中。所以，不论从超静定次数、结构延性，还是从耗能数量的角度来评价，总体屈服机制结构的抗震性能都优于楼层屈服机制结构。 (3)结构的整体性 ①构件间的可靠连接。地震造成建筑结构坍塌最主要和最直接的原因之一就是构件之间的连接遭到破坏，使结构丧失整体性，在各个构件尚未发挥其抗震能力之前就发生平面外失稳，或从支承构件上滑脱坠地。所以，要提高房屋的抗震性能，保证各个构件强度的充分发挥，首要的是加强构件间的连接，使之能满足传递地震作用时的强度要求，适应地震时大变形的延性要求。 ②增强房屋的竖向刚度。建造于软弱地基上的建筑，首先要确定恰当的地基处理措施。当采用天然地基时，所采取的结构方案，应使建筑沿纵、横两个方向均具有足够的整体竖向刚度，并使建筑基础具有较强的整体性，以抗御地震时可能发生的地基不均匀沉陷，以及地面裂隙穿过房屋时所造成的危害。 (4)强度、刚度和延性的比例关系

砖柱、抗震墙特别是砖墙，具有刚度大、强度低、延性更低的特点，竖向钢

支撑也具有类似特点。构件的抗推刚度大，势必大大降低地震作用和吸收比较多的地震输入能量;构件的强度低，表明构件的屈服强度比值低，容易发生早期破坏;构件的延性小，就意味着构件所消耗的地震能量比较少，其结果使构件发生严重破坏。所以，使构件的刚度、强度和延性相匹配，是提高结构抗震性能的一个重要方面。 (5)材料的选用

地震对结构作用的大小几乎与结构的质量成正比。质量大，地震作用就大，震害程度就大;质量小，地震作用就小，震害就小。所以，在建筑的楼板、墙体、框架、隔断、围护墙以及屋面构件中，广泛采用多孔砖、硅酸盐砌块、陶粒混凝土、加气混凝土板、空心塑料板材、瓦楞铁等轻质材料，将能显著改善建筑的抗震性能。

(6)建筑场地的选择

工程结构的抗震能力不仅取决上部结构和下部结构.而且还与建筑地段、场地土和场地类别有密切关系。为了使整个建筑结构成为一个稳定的体系，防止产生过大的差异沉降和倾覆，要选择有利的场地，避开不利的场地。基岩有活动性断层和破碎带、不稳定的滑坡地带属于危险场地;冲积层过厚，沙土有液化的危险，湿陷性黄土等属于不利场地;同时要合理选择基础的形成，保证基础的承载力、刚度和有足够的抗震滑移、抗转动的能力，加强上部结构与基础的连接构造。 (7)地震设计值的选取

地震设计值的选取目前主要包括烈度、地震动参数和时程。地震烈度除包括地面峰值加速度外，还包地震动的持续时间和组成频率;设计中采用的地震烈度大小是一种人为的假定，还未反映地震重复周期的影响。 (8)施工质量

施工中造成的材料性能和截面几何特征在一定范围内变动，以及延性构造措施在施工中的变动等施工质量问题，对实际结构抗震性能具有重要影响。 (9)结构的使用时间、损伤程度、非设计预期的作用力等

①结构的使用时间。实际使用时间越长，结构的刚度、强度退化越大。 ②结构的损伤程度。由于材料的非线性性质，因前期地震作用或其他原因造成结构存在残余塑性变形，或结构中某些构件受到一定程度的损伤等，均会影响实际结构具有的抗震能力。 ③非设计预期的作用力。非设计预期的作用力如不均匀沉降等使结构承受额外的负载，引起结构抗震能力降低。 1.3国内建筑结构抗震能力评估方法

针对既有混凝土结构而言，目前进行抗震评估的方法主要是采用现行抗震鉴定标准给出的两级鉴定方法。除此之外，主要为借鉴抗震设计规范给出的各种新建建筑抗震设计分析的方法(反应谱分析方法、动力时程分析方法和静力非线性分析方法等)。 （1）、经验评估法

经验评估法是指通过对大量地震震害事例的分析，提出结构抗震性能的评估原则的方法。我国国家标准《建筑抗震鉴定标准》从编制原则上讲较偏于经验评估法。经验评估法的基本思路为:从结构抗震设防目标出发，根据建筑结构的地震震害分析成果，确定其结构布置、整体性及结构构件的连接是抗震评估的重点;对实际建筑的结构布置、构件形式、屋盖支撑、排架柱和柱间支撑、构件连接及围护墙连接构件等进行现场观察、观测，通过与震害事例的对比、判断结构所具

有的抗震性能;必要时进行结构的抗震承载力验算。

经验评估法的主要步骤为:熟悉有关信息，包括:设计方面、施工方面、使用方面、维修方面及其他;初步调查即宏观检查，包括外观、功能用途、构件和接点等;详细检查，包括缺陷的范围、严重程度及发展情况、断面尺寸、强度等;最后，结果分析及建议。 （2）、振动测量评估法

（1）、结构动力特性振动测试

对于建筑结构这样一个多自由度系统，其动力特性的测试有多种方法:比如，利用激振器的方法、人工激振法、火箭推动法、悬索张拉法、环境脉动法。环境脉动法是目前结构动力特性现场测试的一种简便实用的方法。即利用环境随机振动对建筑结构的激振，由结构振动信号分析结构的动力特性参数。实践证明，从结构环境脉动所求得的动力特性参数与其它方法得到的是相当一致的。由于该方法不需要笨重的激振设备，不受结构大小、形状的，所用人力少，测试结束后不需要对现场进行善后处理，实施起来方便。并且，随着微机技术，A/D转换技术的发展及谱分析理论的完善，特别是大容量高速微机的应用，使这种方法更显示出强大的生命力。对工程结构进行抗震性能评估，现场多数采用这种动测方法。现场测试是用微机化的多通道数字测振系统对结构的环境脉动进行多点同时测量。谱分析是识别结构动力特性的重要手段，通过对位移时程进行自谱、互谱、相位谱及相千函数等内容的分析，确定结构的自振频率、振型和阻尼，达到结构识别的目的。

(2)、结构抗震能力评估

①通过对工程结构的环境脉动测试，得到其刚度分布:

一般建筑结构的计算数学模型可化成多质点体系，其运动方程可写为: [M]{u}+[c]{u}+[k]{u}二{P}

由结构动力学理论知道，在做了普通采用的符合工程实际的基本假定之后，可得动力特征方程det([K]一[M]ω2)=o式中，[K]为剪切刚度矩阵，[M]为主对角线质量矩阵。基本振型各层的位移A1,A2„„，An，

通过动力特征方程，如ki= mikij，

由各墙段或子结构刚度之和构成，则用现场实测得到的基频f，求得结构的层间刚度K。如有必要，再对各局部结构用上述步骤求得局部结构刚度。通过以上是对结构进行刚度分解和刚度递推，最终求得所需要的结构刚度分布。

②然后，由刚度与强度及抗震承载力之间的关系，得到结构强度及抗震承载力。 ③最后，通过现场实测为基础得到的强度及抗震承载力值与设计所要求或破坏性实验得到的值的比较，对工程结构的抗震能力及使用安全性做出较客观的评估。 （3）、规范校核法

规范校核法是指根据现场实测得到的构件强度、刚度、断面尺寸、及自振周期，利用现行抗震设计规范提供的抗震验算方法(主要为反应谱分析方法)，评价既有建筑抗震性能的方法。利用现行《建筑抗震设计规范》提供的抗震验算方法，评估实际结构具有的抗震性能的方法，其计算步骤与抗震设计步骤相同。我国现行抗震设计规范提供了三种计算方法:底部剪力法、振型分解反应谱法、时程分析法和非线性静力分析法。可以根据上述四种方法，结合现场实测数据，对建筑结构抗震能力进行评估。 (4)、能量法

结构的综合抗震能力是综合考虑结构构造和承载力等因素所具有的抵抗地震作用的能力，从能量的观点来看，要保证结构能够“大震不倒”，就是要保证结构的综合抗震能力大于结构在罕遇地震下所需要耗散的能量。研究表明对多自由度体系，弹性与弹塑性地震的总能量相差很小。因此，可以用简单的弹性分析代替较为复杂的弹塑性总能量的分析。为此，对混凝土框架这样的规则结构，可以采用底部剪力法或振型分解反应谱法求出它在罕遇地震烈度下的底部剪力，同时采用结构弹性阶段的刚度，确定结构在罕遇地震烈度下所需要耗散的总能量E1。

地震作用下，结构所耗散总能量E1，主要由两部分组成:结构的阻尼耗能E0

与结构的滞回耗能EH。即 E1=E0+EH

用γ代表结构的滞回耗能在总耗能中所占的比例，即 γ=EH/El

γ由结构的自振周期、屈服强度系数等自身的动力特性确定，对结构进行单向加载下的静力弹塑性分析，可以得到结构的顶点位移一底部剪力，它就表示了结构的骨架曲线，用曲线下所围的面积代表结构的滞回耗能，根据所确定的几E，的值，找到能力曲线上相应的点，以此来确定结构的目标位移，然后结合此时结构的屈服机制以及临界截面的曲率延性，来评估结构在罕遇地震下的抗震能力。 （5）、简化的弹塑性分析评估方法

简化的弹塑性分析评估方法诸如N2法、Pushover方法和改进的能力谱法等，这是基于性态的抗震评估方法。总的来说，目前我国基于性态的抗震评估方法的研究还处于不断的讨论、改进阶段。 (1)N2方法

N2方法是一种比较全面又相对简单的非线性地震损伤分析方法。之所以称为N2方法，是由于N代表非线性分析，2代表两种不同的分析方法，即反应谱方法和推倒分析方法。N2方法可以用于已建结构的抗震评估和新结构的抗震设计。最初由P.Fajfar于1987年提出，后经不断发展，主要用于建筑结构，近年来开始用于桥梁结构。P.Fajfar采用上述N2方法对几个具有不同墩高的连续刚构桥进行了验算，并与时程分析法相比较，结果吻合较好。 ①数据准备。建立一个多自由度分析模型。确定在单调荷载作用r构件的非线性力一位移关系，此外，还需要一条弹性(拟)加速度反应谱。

②推倒分析。使用推倒分析来确定多自由度体系的非线性力一位移关系曲线。 ③换算为一个等效单自由度体系。使用反应谱来确定地震反应，需要考虑非线性特性，因此原则上要求一个单自由度体系。 ④单自由度体系的地震需求。使用非线性反应谱来确定地震需求，比较简便的方法是使用折减系数Ru，比如采用 Vidic(1994)提出的一致谱。 ⑤确定多自由度体系的整体和局部地震需求。 ⑥损伤分析。这一步中构件的损伤是根据第上一步确定的地震需求与构件抗震能力的比值来表示的。 (2)推覆分析法

推覆分析法 (PushoverAnalysiS)是近年来在国外得到广泛应用的一种结构抗震 能力评价的新方法，我国的《建集抗设计规范》(GBSOOll一2001)将这种方法用于弹塑性变形分析，其应用范围主要集中于对现有结构或设计方案进行抗侧力能力的计算，从而得到其抗震能力的估计。这种方法从本质上说是一种静力非线性

计算方法，与以往的抗震静力计算方法不同之处主要在于它将设计反应谱引入了计算过程和计算成果的工程解释。 (3)改进的能力谱法

能力谱方法可视为Pushover方法的发展，实质上是通过地震反应谱曲线(地震需求谱 DemandSpectrum)和结构能力谱的叠加，来评估结构在给定地震作用下的反应特征。 1.4结论：

钢筋混凝土结构是一种广泛应用于工业与民用建筑的结构形式，面对我国严重的地震灾害，建筑物的抗震能力成了保障人民生命财产安全的重要指标。我国目前有近亿平方米的钢筋混凝土结构，其建造的时期各异，设计标准不同，所受的外界环境影响也不同，对其进行抗震能力评估十分重要。

钢筋混凝土结构抗震能力定量评估方法，通过工程实例验证，有效地评估了建筑结构的抗震能力，反映了混凝土结构抗震能力的特点，使得对混凝土结构的加固能更为有效和合理。本文同时研究了薄弱楼层、薄弱单元的加固补强，为具体的加固方案的制定提供了重要参考。但由于混凝土结构抗震能力的影响因素很多、也很复杂，也由于时间上的关系，尚有一些问题留待以后再行研究。 1.5参考文献：

1.中国地震局局力学研究所，中国建筑科学研究院抗震研究所，哈尔滨工业大学.《建筑工程抗震性态设计通则(试用 )))(CECS160:2004).北京:中国计划出版社，2004.

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4.秦荣著，工程结构非线性[M]。北京:科学出版社，2006。5.杨仕升，李柳英，莫敬业等.广西及邻区环境剪应力场基本特征与未来地震危险区预测研究.地震，2004。 5.谢礼立，关于工程抗震设防问题的若干考虑，我国抗震设计规范学术讨论文集， 1993。 6．高小汪等，用可靠度方法预测钢筋混凝土框架房屋的震害，工程结构可靠性，1998。