钢结构地震损伤评价方法现状与发展

钢结构地震损伤评价方法现状与发展

徐佳马子彦白笑天王雪峰王雪青白润山

河北建筑工程学院河北张家口075000

摘要：结构在经历地震之后，往往会产生一定程度的损伤，甚至发生倒塌，产生的损伤将会为结构的使用带来一定程度的安全隐患，会影响建筑的使用功能，因此准确地对结构进行损伤评价具有重要的意义。近年来，由于技术的进步以及钢结构独有的的优势和我国工业的快速发展，我国各地建成了许多钢结构的建筑，目前，对钢结构的地震损伤评价研究还相对较少，需要进一步进行研究。

关键词：高层钢结构；地震；损伤评价

一、前言

地震是一种具有突发性和毁灭性的自然灾害，它的发生往往会伴随着巨大的破坏，建筑结构在地震的作用下，会产生一定程度的损伤甚至发生倒塌，研究其在地震作用下的损伤情况，无论是对建造之前的设计还是建造之后加固改进都有很大的意义。

近年来，随着我国的经济快速发展，带来了建筑业的快速发展，而某些建筑会处于高烈度地区，一旦发生破坏性地震，造成建筑结构的倒塌，将会带来重大的经济损失，会造成大量的人员伤亡，以及不良的社会影响，因此，如何正确的，准确的反应建筑结构的损伤状态，合理准确的预测以及控制结构在地震作用下的性能，降低损失风险及损失量，目前仍面临着巨大挑战。

二、钢结构的应用现状

钢材是一种常见的工程材料。它具有品质均匀；力学性能好（强度高，塑性和韧性好）；易于加工，焊接性能良好的特点，在建筑结构中的应用越来越广泛。

钢结构建筑有以下优点：

（1）相比钢筋混凝土结构，钢结构的重量更轻、强度更高；（2）更适用于大开间、大跨度的建筑的建设；（3）安全可靠性高，抗震、抗风性能好；（4）钢结构构件在工厂制作，减少现场工作量，缩短施工工期，符合产业化要求；（6）钢材可以回收，建造和拆除时对环境污染较少；（7）钢结构布置便利，而且造价比较低。

随着我国工业的快速发展，更多的大跨度场馆、高层建筑、中小型建筑开始采用钢结构来建造。

三、损伤的概念及结构地震损伤的评价

3.1损伤的概念

结构损伤指的是在外部环境的作用下，结构内部不断产生的一种缺陷，损伤的产生，将不同程度的影响结构的各项功能。由于外在因素的复杂性，结构在地震作用下产生的损伤的定义和计算问题仍比较模糊，目前还没有标准的判定方法。寻找什么样的变量来描述结构产生的损伤是一个重要的问题，选出的变量应该能够反映结构力学性能的变化，同时该变量参数的数值应该能够容易获取，并且在方便计算的同时，还要能够能够确切反应结构损伤的原理。

随着研究的不断深入，以及结构动力学等力学知识的发展，人们对结构在地震作用下的损伤的认识逐渐发生改变。最早，在工程的设计和建设中，经常使用延性这一指标来表示结构的损伤程度，该特性在一定程度上能反应结构的塑性变形能力，延性好的材料，能更多的吸收地震能量，在产生一定变形的同时能够使结构不至于倒塌。但延性这种指标不能反应结构具体的位置变化，且对于整个结构来说，这种参数是不容易获得的。

3.2单参数地震损伤评价模型

为定量描述结构在地震作用下的损伤程度，国内外专家在对损伤机理的理解之上，提出了多种地震损伤评价模型，单参数地震损伤评价模型是一种典型的损伤量化方法，这种评价模型认为构件或结构整体的地震损伤程度能够用某一种单一的参数变量来表示，即构件或结构的计算值超出极限值就会发生破坏，属于“首超破坏”。目前，研究专家根据各自对不同结构或者相关构件损伤的特点，提出了基于变形、基于能量以及基于刚度等的单参数地震损伤评价模型。

1、基于变形的单参数地震损伤评价模型

这种单参数地震损伤评价模型认为，单一构件或结构整体的地震损伤可以用构件或结构产生的最大弹塑性应变或变形来表示，这种基于变形的单参数损伤评价模型在一定程度上可以反映结构在地震作用下所产生的损伤程度，但是，这种模型不能反映结构在地震作用下所产生的累积损伤，一些情况下会低估结构损伤，从而对结构的使用性能作出错误判断。

2、基于能量的地震损伤评价模型

这种单参数地震损伤评价模型认为，单一构件或结构整体的损伤可以用其累积滞回耗能来表示，如果其在地震作用过程中累积滞回耗能超过其极限滞回耗能，则会发生破坏。

这种基于能量的地震损伤评价方法概念非常明确，对地震动三要素的考虑比较全面，但是，结构在地震作用下能量的耗散问题非常复杂，仍需进一步研究，并且这种模型只考虑了最大响应的影响，没有考虑地震的发生会使得结构极限响应值降低的问题。

3、基于刚度的地震损伤评价模型

结构的抗震性能与其强度与刚度有关，结构整体或者构件发生损伤必然导致其刚度的下降，结构刚度这一特性可以用来评价结构的损伤程度。但仅用刚度来描述结构的损伤显然不够全面，不能突出结构变形等因素的影响。

单参数地震损伤评价模型在一定程度上可以对结构进行地震损伤评价，但其存在各种不足，考虑的损伤因素比较片面。需要寻求更合理的评价模型对地震损伤进行量化。

3.3双参数地震损伤评价模型

单参数损伤评价模型具有一定的局限性，为综合考虑多方面因素的影响，专家学者提出了双参数地震损伤评价模型，这种损伤评价模型最早是由美国学者Park等提出的，他们根据一大批钢筋混凝土梁柱的试验结果，提出了适用于该种材料结构的双参数地震损伤评价模型，其表达式为：

另外，徐龙河[33]等从材料性能出发，考虑三轴应力的影响，基于材料的应变及比能对钢结构构件进行损伤评价，针对钢结构提出了新的地震损伤评价模型，并将其应用于钢结构竖向承重构件的损伤评价中，表达式为：

可以看出，不同的专家学者从不同的角度考虑，针对不同的结构形式提出了不同的地震损伤评价模型，这些模型在一定程度上能够对结构震后损伤作出一定的评价，但其发展仍不够全面，在某些方面显得不足，仍需继续研究，且对于钢结构的损伤评价模型研究相对较少，应加大研究力度。

四、结束语

结构地震损伤评价模型的提出，为结构震后损伤程度的定量评价提供了一种可行的方法，这种方法根据结构动力学等的知识，根据结构震后某些指标的变化来对其损伤进行量化评价，是一种很好损伤评价思路，然而，由于地震动的复杂性、实际结构的复杂性以及损伤机理的复杂性，一般的评价模型仍不能完全对结构震后损伤作出最为合理的评价，仍需进一步研究。

参考文献

[1]Park，Ang.MechanisticSeismicDamageModelforReinforcedConcrete[J]JournalofStructuralEngineering.ASCE，April1985Volume111，Issue4（722-739）.

[2]王东升，冯启民，王国新.考虑低周疲劳寿命的改进Park-Ang地震损伤模型[J].土木工程学报，2004（11）：41-49.

[3]傅剑平，王敏，白绍良.对用于钢筋混凝土结构的Park-Ang双参数破坏准则的识别和修正[J].地震工程与工程振动，2005（05）：75-81.

[4]欧进萍，牛荻涛，王光远.多层非线性抗震钢结构的模糊动力可靠性分析与设计[J].地震工程与工程振动，1990（04）：27-37.

[5]王宏业.Park-Ang双参数地震损伤模型的试验统计分析及改进[D].大连海事大学，2008.