鋼結構·抗震性能化設計概念梳理
抗震性能化設計的內容最早出現在2010版《抗規》和《高規》中,距今已十余年。與傳統設計法(三水準兩階段)相比,性能化設計的新概念、新內容較多,計算過(guò)程復雜。盡管主要計算可交由電腦完成,但電腦只是個(gè)工具,人才是主角,整個(gè)設計過(guò)程都要由人來(lái)引領(lǐng)。從出發(fā)點(diǎn)到目的地,路徑要清晰,邏輯要嚴密。現嘗試對性能化設計過(guò)程及基本概念進(jìn)行梳理。
一、傳統設計法VS性能化設計”:
1.傳統設計法是“低彈性承載力─高延性”的單一解決方案;性能化設計追求承載力和延性的最佳平衡,可提供“低彈性承載力─高延性”或“高彈性承載力─低延性”的多種解決方案。比如:對于“性能目標1”,大震下基本處于彈性,則延性?xún)H需滿(mǎn)足最低要求即可;對于“性能目標2”,大震可能屈服,則需滿(mǎn)足低延性要求……;對于“性能目標4”,大震接近嚴重破壞,需滿(mǎn)足高延性要求。
2.傳統設計法不直接驗算中震;性能化設計的主要內容就是對中震的驗算。可能是限于當初計算機發(fā)展水平不方便進(jìn)行彈塑性分析,前輩們將設防烈度降低1.55度以后進(jìn)行彈性承載力和彈性變形驗算。用“規則性控制+彈性計算+內力調整+構造措施”,間接實(shí)現中震可修和大震不倒。對于絕大多數結構只需做“兩水準一階段”(小震、中震的彈性承載力和變形驗算)設計即可,僅對少數建筑進(jìn)行彈塑性驗算。
3.傳統設計法對同類(lèi)構件采用統一調整系數和構造措施,不分主次,不論應力高低,堪稱(chēng)“普惠型”;性能化設計立足于承載力和變形能力的綜合考慮,具有很強的針對性和靈活性,堪稱(chēng)“精準投放、量體裁衣”。
4.傳統設計法的“中震可修”是通過(guò)放大小震的彈性?xún)攘Χg接實(shí)現的,對“中震可修”沒(méi)有具體控制指標,可操作性不強;性能化設計直接驗算中震,對承載力和變形均有明確的控制指標。
5.傳統設計法的著(zhù)重點(diǎn)是大震不倒,不適用于要求震后連續使用的生命線(xiàn)工程;對超限工程也沒(méi)有具體設計方法。盡管根據建筑重要性分為甲乙丙丁類(lèi),但彈性設計的本質(zhì)沒(méi)變。傳統設計法是高延性大變形,盡管避免了倒塌保存了結構,但附屬設施破壞嚴重,對于使用功能不能中斷的建筑是不可行的。性能化設計可根據超限程度和震后使用功能要求,通過(guò)承載力、變形和構造的綜合平衡,剛柔相濟,可實(shí)現不同的預期性能目標。
6.相對于鋼筋混凝土結構,性能化對于鋼結構更有用武之地。鋼筋混凝土結構一般由地震設計狀況控制,所以性能化設計主要用于“超限”和更高抗震設計標準。而鋼結構由非地震設計狀況控制的工程很多,可以實(shí)現更好的經(jīng)濟性和合理性。
7.傳統設計法是久經(jīng)考驗的安全可靠的主流方法。性能化設計是有適用范圍的,要謹慎使用。在強震作用下,結構不存在承載力儲備;而且,提高承載力,往往地震作用相應增大,水漲船高。而高延性意味著(zhù)結構具有較高的變形能力,也就是消耗地震能量的能力,是抗震設計的主流方向。