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警惕抗震性能化设计方法的技术陷阱

一、规范体系


     我国现阶段的抗震设防目标是“小震不坏、中震可修、大震不倒”,采用“两阶段”设计方法。

      第一阶段:小震下的结构构件承载力计算+概念设计与抗震措施;

      第二阶段:大震下的结构弹塑性变形验算。    

      概念设计和抗震措施的主要内容包括:
     1)合理的结构体系与屈服机制(宜具有多道防线);
     2)结构高度的要求(不超过最大适用高度);
     3)抗侧力结构布置的规则性要求;
     4)结构和构件的延性要求。
       其中,第 1)~3)项属于“抗震概念设计”的范畴;第 4)项属于“抗震措施”的范畴。“抗震措施”包括“内力调整”和“抗震构造措施”。
      “小震不坏、中震可修、大震不倒”的设防目标,以及将建筑物划分为甲、乙、丙、丁四大类抗震设防分类标准,已初步体现了的基本思想。但规范采用“三水准、两阶段”设计方法带有很强的经验性因素,“概念设计和抗震措施”尽管对抵御强震很有效,但尚不能针对不同地震水准下的结构性能进行定量化评估。


二、性能化设计优势:


       基于性能的
则不同,其基本设计思想是:使所设计的结构在预定的设计工作年限内、在不同强度水准的地震作用下,达到不同的预定性能目标。

      这里所指的预定性能目标,具有广泛的含义和内容,既可以是结构和人员生命安全,也可以是建筑物的内部装修、设备、非结构构件等诸多方面。性能目标可根据业主多层次需求和社会经济发展承受能力等多方面因素综合确定。


       与“三水准、两阶段”设计方法相比,基于性能的抗震设计方法具有以下特点:
        ① 基于性能的抗震设计方法可实现所设计的结构,在不同强度水准的地震作用下具有相对明确的性能水平;而传统抗震设计方法尽管也提到三水准,但没有具体明确的量化指标,如“中震可修”,只是一个定性的描述,没有明确的量化指标,很难在实际设计中得到保证。而基于性能的抗震设计方法,可实现结构在不同强度水准的地震作用下具有相对明确的性能水平。
        ② 基于性能的抗震设计方法是一种基于“投资成本-效益”准则的设计方法,结构抗震性能目标的确定,可综合考虑社会经济水平、建筑物重要性、建造成本和保养维修费用以及在可能遭受地震作用后的直接和间接损失来优化确定。
         ③ 基于性能的抗震设计方法是一种可兼顾结构共性和个性要求的抗震设计方法,因而能满足不同业主提出的不同层次的设计需求,可充分发挥研究者和设计者的创造性,并有利于新材料、新技术在抗震设计中的应用。性能化设计方法比较适合于超限高层结构的抗震设计。

   以上内容主要来源:浙江超限导则。  

  

三、技术陷阱


      地震波本身就是随机的,而结构在大震下的非线性行为(如混凝土压碎、钢筋屈曲、节点断裂)极其复杂。我们现在的软件模型都是高度简化的数学模型。如果工程师输入的本构关系参数不准,或者模型没有考虑施工缺陷,算出来的“安全”可能完全是虚假的。

      性能化设计依赖于选取的地震波。规范要求选7-10条波,但波与波之间的差异巨大。有些设计团队为了通过审查,会在几百条波里挑挑拣拣,专门选那些对自己结构有利的“温柔”波,或者人为调整波的强度。为了避免“凑波”带来的偶然性,补充建议采用增量动力分析,通过将多条地震波按比例调幅,生成结构的能力曲线,从而得到结构在不同地震强度下的倒塌储备系数。这比单纯跑几条波看最大层间位移角更科学,也更难“造假”。当然这同样具有一定难度。

      性能化设计中,最危险的往往不是“位移太大”,而是“破坏机制不对”(例如:柱子先坏了,或者剪力墙发生了脆性剪切破坏)。如果只看位移角达标了,却忽略了破坏机制,依然是巨大的安全隐患。性能化设计的验算必须包含“构件层次的损伤评估”。不能只看整体指标,必须检查关键构件的受剪截面限制和塑性发展顺序。

       即使计算显示构件处于弹性,对于关键构件也必须通过严格的抗震构造措施(如设置型钢、提高配箍率)来强制保证其延性,以防模型未捕捉到的脆性破坏模式发生。


四、学好用好性能化设计方法


      结构设计是‘良心活’。性能化设计给了设计师更大的自由度,但也给了偷懒者更大的空间。现在的性能化设计很多是‘伪性能化’,只是为了应付审查。

     “真正的性能化设计,不是用软件去证明结构是安全的,而是用软件去发现结构哪里不安全。”它要求工程师具备“批判性思维”:

1.质疑模型: 这个节点的刚度模拟真实吗?
2. 质疑波: 这条波的反应谱特征真的代表我们的场地吗?
3. 质疑结果: 为什么大震下这里的钢筋应力反而很小?(通常意味着失效或退出工作)。

       性能化设计的本质,不是为了证明结构“足够安全”,而是为了揭示结构“究竟有多不安全”。它要求我们在“计算结果”与“工程直觉”之间反复求证。


来源:张卫全的结构设计探索;如有侵权,请联系删除

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