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分灾模式结构防灾减灾设计概念的再思考
李 志 刚1, 陈 向 东1, 王 平2, 张玉顺3
(1.大连理工大学 工业装备结构分析国家重点实验室, 辽宁 大连 116024；2.国家地震局工程力学研究所,黑龙江 哈尔滨 150080；3.广东省地震研究所,广东 广州 510070)
摘要： 简要回顾了结构防灾减灾设计概念的发展; 从结构的分灾思想、分灾元件、分灾模式、分灾设计基本原则等方面, 系统研究了“基于分灾模式的结构防灾减灾设计概念”； 讨论了分灾模式与结构控制的关系; 通过对典型结构设计的分析, 说明分灾模式的设计概念是可行的, 有助于结构的防灾减灾以及工程师形成可操作的数学模型。
关键词： 抗震设计； 结构最优化；结构可靠性；分灾模式；结构控制
摘要： 简要回顾了结构防灾减灾设计概念的发展; 从结构的分灾思想、分灾元件、分灾模式、分灾设计基本原则等方面, 系统研究了“基于分灾模式的结构防灾减灾设计概念”； 讨论了分灾模式与结构控制的关系; 通过对典型结构设计的分析, 说明分灾模式的设计概念是可行的, 有助于结构的防灾减灾以及工程师形成可操作的数学模型。
关键词： 抗震设计； 结构最优化；结构可靠性；分灾模式；结构控制
Rethinking of concept of structural design against natural
hazard based on damage reduction mode
hazard based on damage reduction mode
LI Zhi-gang1, CHEN Xiang-dong11, WANG Ping22, ZHANG Yu-shun3
(1.State Key Lab. of Struct. Anal. of Ind. Equip., Dalian Univ. of Technol.,Dalian 116024, China； 2.Inst.of Eng.Mech. of State Earthq. Bureau, Harbin 150080, China；3.Inst.of Earthq. of Guangdong Prov., Guangzhou 510070, China)
Abstract:The development of structural design against natural hazard is reviewed briefly. The structural design based on damage-reduction is studied, and the relationship between damage-reduction mode and structural control is discussed. Examples show that the method herein is rational and helpful to structural design against natural hazard.
Key words:aseis matic design; structural optimization; structural reliability; damage-reduction mode; structural control
随着科学技术的发展以及人们对各种自然灾害的发生机理和成灾模式认识的加深, 人类有可能采取更加安全、有效、合理、经济的防灾减灾设计方法, 减轻灾害造成的损失. 建立合理的结构设计概念, 使结构以较低的造价, 得到较高的安全性能, 具有非常重要的意义［1～5］。
1 结构防灾减灾设计概念的发展
经过长期的科学研究和工程实践, 人们关于结构防灾减灾设计的概念也经历了一系列的发展变化. 主要有以下这些设计概念(以地震灾害为例):“刚性结构体系”设计概念: 即大大增加结构的刚度, 使其与基础成为一个刚性整体. 这种设计很不经济, 较难实现［6～8］。
“柔性结构体系”设计概念: 这种设计虽然可以有效地减少作用于结构的地震荷载强度 , 但在大震作用下会由于结构变形过大而导致结构破坏, 甚至倒塌; 在小震及常规荷载作用下 , 又会由于刚度过低而很难满足结构的正常使用要求［9］。
“延性结构体系”设计概念 : 这是目前采用较为普遍的设计概念 , 即适当控制结构的刚度，使结构构件在地震时进入非弹性变形状态, 以消耗地震能量, 保证结构不倒塌[10]。“结构控制体系”设计概念是近年发展起来的, 是结构防灾减灾设计概念一次突破。
1 结构防灾减灾设计概念的发展
经过长期的科学研究和工程实践, 人们关于结构防灾减灾设计的概念也经历了一系列的发展变化. 主要有以下这些设计概念(以地震灾害为例):“刚性结构体系”设计概念: 即大大增加结构的刚度, 使其与基础成为一个刚性整体. 这种设计很不经济, 较难实现［6～8］。
“柔性结构体系”设计概念: 这种设计虽然可以有效地减少作用于结构的地震荷载强度 , 但在大震作用下会由于结构变形过大而导致结构破坏, 甚至倒塌; 在小震及常规荷载作用下 , 又会由于刚度过低而很难满足结构的正常使用要求［9］。
“延性结构体系”设计概念 : 这是目前采用较为普遍的设计概念 , 即适当控制结构的刚度，使结构构件在地震时进入非弹性变形状态, 以消耗地震能量, 保证结构不倒塌[10]。“结构控制体系”设计概念是近年发展起来的, 是结构防灾减灾设计概念一次突破。
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3.2 分灾子结构
作为框-剪结构的分灾子结构, 非灾害荷载作用下, 带缝剪力墙能够满足正常使用要求。 灾害荷载作用下,一方面利用带缝剪力墙的缝隙联结面材料进行耗能 ；另一方面 , 联结面开裂, 刚度降低, 结构动力特性发生变化, 周期变长, 有利于结构抗震。框-桁结构,用一个桁架代替剪力墙作为结构的分灾子结构。框-桁结构具有受力明确、计算简单、可人为控制破坏顺序(弱腹杆→中强梁→强柱)、结构全部由杆件组成而不会出现刚度突变、可人为控制刚度、不易造成材料浪费等优点。
参考文献：
[1] 陈向东,蔡文学.基于分灾模式的结构防灾减灾设计概念初探 ［J］. 自然灾害研究, 1996,(4): 22-27.
[2]OU J P, YOSHIDA O,SOONG T T, et al. Recent advance in research on applications of passive energy dissipation systems［J］. Earthquake Eng,1997, 38 (3):358-361.
[3] 陈志平. 减灾设计研究新动态［N］. 科技日报,1997-12-13(5).
[4] 牛光庭,李亚杰. 建筑材料［M］. 北京:水利电力出版社,1993.
[5] KAYEYAMA M. Incompatible displacement methods［A］.SPRIET J A. Numerical and Computational Methods in Structural Mechanics［C］. New York: Academic Press, 1973.43-57.
[6] 徐道远, 符晓陵, 寿朝辉。 混凝土三维复合型断裂的FCM和GF ［A］. 涂传林. 第五届岩石、混凝土断裂和强度学术会议论文集［C］. 长沙:国防科技大学出版社, 1993.19-24.
[7] 隋允康,王希诚. DDDU(2)程序原理和结构的简要说明［R］.大连: 大连工学院工程力学研究所,1984.
[8] 陶建人. 动接触减振法及其应用 ［D］. 大连:大连理工大学,1988.
[9] 王杏林. 建筑砌块联接件 ［P］. 中国专利: CN 1036800， 1997-09-27.
[10] B 50023-95，建筑抗震鉴定标准［S］.
3.2 分灾子结构
作为框-剪结构的分灾子结构, 非灾害荷载作用下, 带缝剪力墙能够满足正常使用要求。 灾害荷载作用下,一方面利用带缝剪力墙的缝隙联结面材料进行耗能 ；另一方面 , 联结面开裂, 刚度降低, 结构动力特性发生变化, 周期变长, 有利于结构抗震。框-桁结构,用一个桁架代替剪力墙作为结构的分灾子结构。框-桁结构具有受力明确、计算简单、可人为控制破坏顺序(弱腹杆→中强梁→强柱)、结构全部由杆件组成而不会出现刚度突变、可人为控制刚度、不易造成材料浪费等优点。
参考文献：
[1] 陈向东,蔡文学.基于分灾模式的结构防灾减灾设计概念初探 ［J］. 自然灾害研究, 1996,(4): 22-27.
[2]OU J P, YOSHIDA O,SOONG T T, et al. Recent advance in research on applications of passive energy dissipation systems［J］. Earthquake Eng,1997, 38 (3):358-361.
[3] 陈志平. 减灾设计研究新动态［N］. 科技日报,1997-12-13(5).
[4] 牛光庭,李亚杰. 建筑材料［M］. 北京:水利电力出版社,1993.
[5] KAYEYAMA M. Incompatible displacement methods［A］.SPRIET J A. Numerical and Computational Methods in Structural Mechanics［C］. New York: Academic Press, 1973.43-57.
[6] 徐道远, 符晓陵, 寿朝辉。 混凝土三维复合型断裂的FCM和GF ［A］. 涂传林. 第五届岩石、混凝土断裂和强度学术会议论文集［C］. 长沙:国防科技大学出版社, 1993.19-24.
[7] 隋允康,王希诚. DDDU(2)程序原理和结构的简要说明［R］.大连: 大连工学院工程力学研究所,1984.
[8] 陶建人. 动接触减振法及其应用 ［D］. 大连:大连理工大学,1988.
[9] 王杏林. 建筑砌块联接件 ［P］. 中国专利: CN 1036800， 1997-09-27.
[10] B 50023-95，建筑抗震鉴定标准［S］.
基金项目：国家自然科学基金资助项目(59493300)；教育部博士点基金资助项目(9800462)
作者简介：李志刚(1936-)，男(满族), 辽宁金州人，大连理工大学教授,博士生导师。
作者简介：李志刚(1936-)，男(满族), 辽宁金州人，大连理工大学教授,博士生导师。