钢筋混凝土框架结构地震主要失效模式分析与优化

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　　【摘 要】地震灾害是人类面临的最严重的自然灾害之一，具有极强的随机性，不可预测性和大范围的波及性，严重威胁着人类社会的生存和社会的发展。近年来频繁发生的地震使得建筑结构大量破坏，导致大量的人员伤亡和严重的经济损失。地震动强度和特性的随机性对结构的抗震性能提出了更高的要求。传统的结构抗震设计主要采用基于等效静力的线弹性分析方法，不能很好的考虑结构屈服后的受力状态和整体破坏机制，结构的材料性能未能得到充分发挥，进而出现不可预期和不可控的局部失效模式或薄弱层失效模式，最终使得结构在强震下的抗震性能未达到最优，不能有效抵抗未来潜在地震灾害。因此，通过对结构的地震失效模式进行分析和优化来提升结构的整体抗震性能具有重要的意义。
　　【关键词】钢筋混凝土；框架结构；地震
　　1引言
　　地震是当前人类面临的最严重的自然灾害之一，具有极强的随机性和大范围的波及性，严重威胁着人类的生存和经济的发展。近年来，地震灾害发生的频度和强度越来越高，如2004年发生在印度洋的8.7级大地震、2008年发生的汶川8.0级大地震、2010年发生的海地7.3级大地震、智利8.8级大地震、2011年发生的日本9.0级3.11大地震和2014年的芦山地震等。地震累积的能量以地震波的形式向外传播，引起大范围的地面运动，进而引起建筑结构和桥梁结构的破坏和倒塌，导致严重的人员伤亡和经济损失。地震给人类带来灾难的同时，也促使人们从中吸取经验教训，大力发展防震减灾的手段和方法。历次地震无不表明：土木工程方法必然是防震减灾的最有效的措施，其主要包括：场地选择及其安全性评价、抗震设计、合理施工、正确使用、维护和及时加固等。因此，对建筑结构进行合理的抗震设防是减轻结构地震灾害的重要途径。结构抗震设计由传统的静力法、反应谱方法发展到考虑结构延性的强度折减系数法，再到当前广泛倡导的基于位移的抗震设计方法、基于损伤的抗震设计方法和基于性能的抗震设计方法（Performance-Based Seismic Design，PBSD）等。
　　2规范抗震设计方法
　　现行的规范抗震设计方法主要按照等效静力的线弹性分析理论来获得结构的内力需求，并采用能力设计方法和足够的构造措施来确保结构“强柱弱梁”失效模式和构件屈服后性能，最终通过非线性分析来检验结构在大震下的位移响应是否超限。这种设计方法能保证结构在小震和中震下的抗震性能，而结构在大震下局部构件进入非线性，此时弹性理论和能力设计法不能反映结构在非线性条件下的内力分配规律，因为一旦有局部构件进入屈服，结构的内力将按照屈服后的刚度来分配。因此可以看出规范设计方法：（1）用来模拟强震下结构楼层惯性力分布的设计侧向力模式，主要是根据结构的弹性振动状态获得的；（2）结构设计时未能考虑构件的非线性性能，特别是梁屈服后对柱端受力的影响；（3）能力设计法仅能考虑与梁相连的柱的强度放大，这实际上是一种局部强化方法；（4）未考虑强震下结构的整体失效模式。因此结构在强震下的抗震性能不能可靠的预测和控制，进而出现不可控和不可预期的失效模式。另外，必须同时清醒的认识到，地震动的随机性使得结构在未来设计基准期内的可能遭遇地震的大小实际上是未知的，且近年来发生的地震往往超过当初设防时的强度，因此从这个角度来讲，按照设防目标来设计结构，其可靠性是没有保证的。因此，从以上分析可以看出，按当前抗震设计方法设计的结构，由于地震动的随机性使其在强震下常形成不可预测和不可控的失效模式，结构构件的材料性能未得到充分发挥，使结构在强震下的抗震性能未达到最优，不能有效抵抗未来潜在地震灾害。
　　3地震失效模式优化的发展
　　根据工程结构可靠性原理可知，结构失效模式分析存在两类不确定性：外界荷载激励的随机性和结构自身的随机性（如材料性能和结构构件几何参数的随机性等）。对于结构的地震失效模式，由于地震动的随机性远大于结构自身的随机性，因此结构地震失效模式主要考虑地震动输入的不确定性。由于不同地震动特性的差异，结构在不同地震动下具有不同的失效模式，即结构地震失效模式具有多样性。因此，传统的识别结构失效模式的方法，如准则法和理性解析法对于抗震结构来说，已不再适用，这是由于强震下结构表现出高度非线性特质，且荷载历程是往复滞回的，非单一情况的加载。
　　传统的结构地震失效模式优化是基于静荷载作用下的线弹性结构的单目标优化问题，这与地震作用下产生高度非线性的实际结构优化问题具有很大差别。为此，一些学者对非线性优化问题进行了研究。非线性状态下结构的优化方法主要有数学规划算法和进化算法，常用的进化算法有EP算法、ES算法、GA算法和GP算法等。可以看出，结构的失效模式优化已经从原始的静力弹性优化，发展到考虑非线性优化问题和多目标优化问题，并且逐步向基于性能和基于易损性的优化方向发展，但优化过程仅对典型框架结构进行了优化，且优化过程中计算量庞大的问题是结构真正实现优化设计要解决的关键问题。此外，由于地震极强的随机性使得结构的抗震失效模式具有多样性。结构在地震作用下失效的关键在于非最优的失效模式导致结构不能承受最大地震动。通常，结构在地震下存在一些发生概率较大的失效模式，我们称其为结构的主要失效模式，而其它发生概率较小的失效模式，由于其出现的可能性极低，在失效模式分析中一般被忽略。因此，通过对识别结构的主要失效模式并对其进行优化设计是提高结构抗震性能的重要手段。常见的识别结构地震主要失效模式的方法有Pushover方法、时程分析方法和增量动力分析方法（Incremental Dynamic Analysis，IDA）等。Pushover方法识别结构失效模式的精度与所选择的侧向力模式密切相关，而时程分析方法和IDA方法直接依赖于所选择的地震动。
　　4钢筋混凝土框架结构地震失效模式
　　当结构系统中设置防屈曲支撑时，由于：（1）由于防屈曲支撑饱满的滞回性能，将为结构提供一个附加阻尼比，使得抗震设计时的地震影响系数降低，结构遭受的地震作用将变小，最终导致结构构件比常规支撑结构的构件截面面积小；（2）由于结构构件截面变小，结构自重变小，会进一步减小结构的地震作用；（3）在构件截面设计时，相比于普通支撑的受压稳定承载力系数，防屈曲支撑由于拉压性能近似，未有受压稳定承载力的折减，因此其截面面积将会比普通支撑小；（4）由于结构中添加防屈曲支撑时，防屈曲支撑能耗散大部分地震能量，保护了主体结构，使得主体结构的损伤减轻，结构震后修复的代价将降低。由于这些显著的优点，防屈曲支撑体系的材料成本、建造和运行维护等的经济效益是很可观的，这使得防屈曲支撑在工程实践中被广泛运用。
　　结束语
　　综上所述，地震作用是结构抗震设计的关键控制荷载之一。建筑结构为高冗余度结构，由于地震极强的随机性使得结构的抗震失效模式具有多样性。通常，仅一些发生概率较大的主要失效模式对结构的抗震可靠度有重大贡献。因此，识别结构的主要失效模式对结构的可靠性分析及灾害防御至关重要。
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