基于抗震性能设计的结构优化

摘要：为了研究实现钢结构抗震性能设计目标的方法。本文运用ANSYS有限元软件对钢结构住宅进行优化设计，使结构在三种不同抗震性能目标的控制下，充分而有效地降低用钢量。抗震性能设计能够很好地应用到结构优化中，该方法对基于抗震性能设计的运用具有一定的参考价值。

关键词：结构抗震性能设计，性能目标，ANSYS，优化设计

中图分类号：TU318 文献标识码：A

长期以来我国一直使用的抗震设防目标是“小震不坏，中震可修，大震不倒”，它本质上就是以保证生命安全为抗震设防目标的一级设计理论。按照以上理论对结构进行抗震设计，当地震发生时，虽然有效地防止了由建筑物坍塌而导致人员伤亡，但是由于建筑物的破坏没有很好地得到控制，给社会带来了巨大的经济损失。在抗震设计时，为了兼顾经济和安全，不仅要防止结构发生坍塌，同时也要合理地控制结构的其它破坏程度。20世纪90年代初，基于抗震性能设计的理念由美国学者提出后，日益得到各国学者的广泛关注。本文就如何实现抗震性能设计目标的方法进行探索，并将抗震性能设计应用到钢结构的优化设计中。

一、结构抗震性能目标

结构抗震性能目标的选定应该综合考虑设防烈度、结构的特殊性、震后损失和修复等因素。根据规范首先划分结构抗震性能水准和地震作用水准，然后综合确定结构抗震性能目标。

1.1 性能水准的划分

性能水准 破坏描述 继续使用的可能性

基本完好（含完好） 承重构件完好；个别非承重构件轻微损坏；附属构件有不同程度破坏 一般不需修理即可继续使用

轻微损坏 个别承重构件轻微裂缝（对钢结构构件指残余变形），个别非承重构件明显破坏；附属构件有不同程度破坏 不需修理或需稍加修理，仍可继续使用

中等破坏 多数承重构件轻微裂缝（或残余变形），部分明显裂缝（或残余变形）；个别非承重构件严重破坏 需一般修理，采取安全措施后可适当使用

严重破坏 多数承重构件严重破坏或部分倒塌 应排险大修，局部拆除

倒塌 多数承重构件倒塌 需拆除

注：个别是指5%以下，部分是指30%以下，多数是指50%以上。

1.2 地震水准的划分

为了与现行建筑抗震设计规范衔接紧密，地震水准划分为：多遇地震、设防地震、罕遇地震。

1.3 性能目标的划分

由于本人编写的ANSYS命令流暂时仅能在弹性范围内优化，针对该特点，钢结构住宅可以实现在三种抗震性能目标控制下的优化。性能目标1：结构在多遇地震作用下完好；性能目标2：结构在设防地震作用下完好；性能目标3：结构在罕遇地震作用下完好。

二、抗震性能设计在结构优化中的应用

本文运用APDL编程语言，对某六层钢结构住宅进行参数化建模并分析求解。限于篇幅, 下面主要介绍在APDL编程语言命令流中如何运用抗震性能设计。抗震性能设计运用主要体现在施加荷载和荷载效应组合两大模块中。

2.1 水平地震作用

施加水平地震作用可根据不同的性能目标选取水平地震影响系数最大值。

性能目标 水平地震影响系数最大值

注：括号中数值分别用于设计基本地震加速度为0.15g和0.30g的地区。

2.2 荷载效应组合

无论结构在哪一种性能目标控制下，结构均应满足弹性设计要求，即结构完好。采用作用分项系数、材料分项系数和抗震承载力调整系数，可不考虑地震内力调整系数。

三、工程实例

3.1 工程概况

本工程为某小区的六层钢结构住宅，主体结构为钢框架—支撑结构体系。结构平立面规则且各楼层多为标准层（见图3.1），抗震烈度7度，设计基本地震加速度为0.1g，设计地震分组第一组，建筑场地的类别为Ⅰ类。主体结构各构件多采用钢梁GL1(H400x120x6x8)。本文利用ANSYS软件对钢结构住宅进行整体分析，仅针对钢梁GL1(H400x120x6x8)开展优化设计，使结构在分别满足三种不同性能目标的前提下，实现结构用刚量最小的优化目标。

图3.1 钢结构住宅标准层简图

3.2 计算结果分析

相应于不同的抗震性能目标，优化得出以下结果：

（1）对应于性能目标1，结构在多遇地震作用下完好，初始设计GL1(H400x120x6x8)所用的总用钢量为18.671t 。GL1通过ANSYS优化生成的最优截面为，所用用钢量为14.239t，较原设计结构节省钢材4.378t。

（2）对应于性能目标2，结构在设防地震作用下完好，初始设计GL1(H400x120x6x8)所用的总用钢量为18.671t 。GL1通过ANSYS优化生成的最优截面为，所用用钢量为17.199t，较原设计结构节省钢材1.472t。

（3）对应于性能目标1，结构在罕遇地震作用下完好，初始设计GL1(H400x120x6x8)所用的总用钢量为18.671t 。GL1通过ANSYS优化生成的最优截面为，所用用钢量为25.485t，较原设计结构多用钢材6.814t。

四、结论

通过以上的理论阐述和工程实例，可以总结以下结论：

（1）在结构性能目标1和性能目标2的控制下，结构用钢量均有不同程度节省，通过ANSYS优化改变截面尺寸可有效减少用钢量和提高结构抗震水平。随着结构抗震性能目标的提高，GL1截面尺寸相应有所增加。设计者可选择合适的性能目标对结构进行优化设计。

(2) 抗震性能设计可应用在实际工程中。设计人员可根据使用者对结构的不同使用要求，确定相对应的性能水准和性能目标，并且给设计人员提供更灵活的发挥空间。结构抗震性能设计将是未来结构抗震设计的发展方向。

（3）由于结构性能目标的确定很难把握，抗震性能设计在工程结构中的应用还很少，抗震性能设计的理论和通用计算软件的开发有待深入研究。

参考文献

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