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学习笔记 | 建筑抗震设计理论(4)——抗震基础理论研究

结构先声  · 公众号  · 设计  · 2024-12-24 17:00

主要观点总结

本文讨论了建筑抗震设计理论的关键问题,包括抗震设防水准、抗震设计方法、抗震概念设计以及算力发展的影响。文章指出,抗震设防水准与抗震设计方法不能混淆,抗震概念设计应尽量实现量化,标准规范应保持对算力发展的恰当弹性。文章还提到了一些关于《通规》、《共识标准》和《专业标准》的建议。

关键观点总结

关键观点1: 抗震设防水准与抗震设计方法的关系及重要性

文章讨论了如何区分和理解抗震设防水平和设计方法,指出了它们在建筑抗震设计中的重要作用。强调两者之间的关联和区别,以及如何在学术讨论中避免混淆和分歧。

关键观点2: 抗震概念设计的量化及层次性

文章讨论了抗震概念设计的定义和范畴,强调了量化设计的重要性。提出了在标准规范中对抗震概念设计的层次性和强制或推荐采纳的建议。

关键观点3: 算力发展对抗震技术进步的影响

文章强调了算力发展对建筑抗震设计的影响,包括非线性分析技术、人工智能技术在抗震设计中的应用,以及算力进步带来的新技术工作机会。

关键观点4: 关于《通规》、《共识标准》和《专业标准》的讨论

文章讨论了这三个标准在抗震设计中的作用和层次关系,提出了对它们在未来版本中的改进建议。


正文

上期文章展望了系列《通规》发布实施后,工程建设领域标准规范体系的可能重构,得到如下结论:

1、系列《通规》必将重构工程建设领域标准规范体系,为推动行业技术进步起到明确助力作用,但这一过程也会面临不少挑战;

2、如果能建立《通规》、《共识标准》和《专业标准》的三层次、向下引用标准规范体系,将会明确推动行业科研成果及时向工程实践转化;

3、衡量《通规》及新标准规范体系是否成功的标志,是结构工程师是否真正能够在守住“红线”的同时,明确增加专业话语权,实现责、权、利对等的价值提升。


本期文章我们再讨论几个抗震基础理论研究方面的问题:


抗震设防水准与设计方法

抗震设防水准与抗震设计方法相辅相成,却又不同,一些行业分歧就是源于对二者的混淆讨论。从前面文章可以看出,我国在78《抗规》及之前,采用的是一水准抗震设防和对应设计,即在设防烈度地震作用下要做到结构的“中震可修”。龚思礼在1979年的文章中[1]指出,当时国际标准组织(ISO)制订的统一“估计结构设计地震力” 中采用的是两水准抗震设防,即“小震不坏、大震不倒”;美国建筑抗震设计规程临时条例采用了三水准抗震设防,即“小震不坏、中震可修、大震不倒”。龚思礼在该文中给出的中国《抗规》改进思路是从“中震可修”一水准设防发展到“中震可修、大震不倒”两水准设防。龚思礼在1985年文章中[2]总结了美国(三水准抗震设防且考虑地区差异)、日本(“中震不坏、大震不倒”两水准抗震设防)、欧洲(满足三种极限状态:使用极限、强度极限和倒塌极限)等国家和地区的抗震设计思想,明确提出“考虑三个水准设计思想是较为适当的”。我国89《抗规》正式确定了三水准抗震设防原则并沿用至今,作为89《抗规》的主要起草人,龚思礼在相关文献中[3]对原因做了比较深入的解读。

采用何种抗震设计方法一方面与抗震设防水准相对应,另一方面也决定于当时特定历史时期的算力能力、科研成果积累与设计现实条件。前面文章已经对各种设计方法做过详细介绍,目前我国采用三水准抗震设防、两阶段抗震设计,通过第一阶段线弹性分析与极限承载力设计保证“小震不坏”,通过抗震措施与抗震构造措施保证“中震可修”与“大震不倒”,对于重要建筑通过弹塑性分析与变形验算保证“大震不倒”。

我国“三水准设防、两阶段设计”面临着一个重要问题,就是抗震设防水准与抗震设计方法并非一一对应,这也是行业专家在讨论如何促进我国建筑抗震技术进步时,经常对抗震设防水准与抗震设计方法进行混淆讨论并产生意见分歧的重要原因。

因为现有抗震设计方法存在可进步之处,而去否定三水准抗震设防的国际先进性;或者因为正确坚持三水准抗震设防,而故步自封不促进抗震设计方法的进步,这些都存在逻辑上的问题,应该在学术讨论中给予重视和避免。尽快实现“三水准设防、三阶段设计”值得重视,这一观点已多次进行过阐述,本文中不再展开。


抗震概念设计

什么是抗震概念设计?什么抗震概念设计是必须坚持的?什么抗震概念设计是值得商榷,甚至应该取消的?抗震概念设计与量化分析的关系如何?这些问题很重要,行业认识也普遍比较模糊。

01《抗规》中给出了建筑抗震概念设计的定义:

根据地震灾害和工程经验等所形成的基本设计原则和思想,进行建筑和结构总体布置并确定细部构造的过程。

根据这一定义,如下均应列入建筑抗震概念设计范畴:

三水准抗震设防,两阶段抗震设计;结构应具备必要承载力、良好变形能力与耗能能力;应加强结构薄弱层与薄弱部位;结构应传力路径合理;砌体结构应设置圈梁、构造柱;应进行非结构构件抗震设计;应控制结构最小剪重比;应实现强柱弱梁、强剪弱弯、强节点弱构件;宜设置多道抗震防线;两个主轴方向动力特性宜接近;宜避免平、立面不规则结构。

后面的学习文章会继续深入讨论一些具体的抗震设计概念,本文只表达如下一些观点:

1、抗震概念设计应尽量实现量化

不能量化的抗震设计概念很难具体实施与把握。例如“结构应传力路径合理”,什么情况可判断为“合理”或“不合理”?没有量化指标与无此抗震设计概念无异。标准规范中应尽量避免出现“加盐少许”的类似规定。

2、部分抗震概念设计应取消

例如“强柱弱梁”。即使经过“强柱弱梁”内力调整和配筋设计,在现浇楼板情况下,绝大多数国内外震害现象仍表现为“强楼盖弱柱”。“强柱弱梁”概念设计明确增加了柱纵筋用钢量,却对提高柱极限承载力作用有限,反而是严控轴压比(增大柱截面)会更加有效。“强柱弱梁”概念设计难以达到目标,且易对工程师造成设计目标已达成的误导。

3、《通规》、《共识标准》与《专业标准》应给出不同层次的抗震设计概念

21《抗震通规》作为工程标准规范体系第一层次的“模式规范”,规定了三水准设防,但并未明确两阶段设计方法,这种做法是非常正确的,也体现了编委的大智慧。设计方法处于不断进步过程中,作为第二层次的《共识标准》,未来版本《抗标》也不应唯一规定两阶段设计方法,可给出多阶段设计方法或更精细的性能化设计方法指引,并由第三层次的《专业标准》给予具体实现。


充分考虑算力发展影响

算力进步对建筑抗震设计的具体量化分析与抗震概念设计的推动作用均是明确与显著的。未来算力的快速发展也会在抗震《共识标准》及《专业标准》中进一步体现。如下几点算力影响值得重视:

1、非线性分析技术将为实现“大震不倒”提供越来越充分的量化分析依据;

2、人工智能技术将为总结建筑抗震设计底层试验数据与行业共识提供助力;

3、算力进步既会快速取代现有部分抗震设计专业工作,也将提供新技术工作机会。


总结

本期文章对抗震设防水准、抗震设计方法、抗震概念设计、算力发展影响等几个抗震设计理论关键问题做了讨论,结论如下:

1、抗震设防水准与抗震设计方法不能混淆,从概念上区分清晰、从逻辑上建立联系,才能实现科学进步;

2、抗震概念设计应尽量实现量化,应在不同层次抗震标准规范中进行强制或推荐采纳,应进一步梳理和研究现有抗震设计概念的合理性;

3、要重视算力发展对抗震技术进步的影响,标准规范应保持对算力发展的恰当弹性。


参考文献:

[1] 龚思礼.关于抗震设防要求问题[J].地震工程动态,1979,(01):14-16.

[2] 龚思礼.抗震设计规范的现状和发展[J].世界地震工程,1985,(01):12-18.

[3] 龚思礼.建筑结构的抗震设计总则和基本要求[J].建筑结构,1989,(05):20-25.






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