基于性能的結構抗震設計研

河南省城市規(guī)劃設計研究總院有限公司 夏 磊

開封建業(yè)森林半島置業(yè)有限公司 馬冰冰

基于性能的結構抗震設計研

河南省城市規(guī)劃設計研究總院有限公司 夏 磊

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基于性能的抗震設計是指以建筑物整個生命周期的抗震性能和經(jīng)濟指標為主要設計目標，使結構在遭受不同規(guī)模的地震時，結構性能可以達到預期設計要求，結構的地震反應得到有效控制，從而降低地震災害程度，確保建筑的預期功能。從本質上說，基于性能的結構抗震設計就是“投資—效益”準則下結構“共性”和“個性”的基于可靠度的結構優(yōu)化設計過程。本文，筆者綜述了基于性能的結構抗震設計方法，介紹了目前國內外地震工程界對基于性能的結構抗震設計開展的研究工作。

一、基于性能的結構抗震設計方法

基于性能的抗震設計方法目前主要有3種：承載力設計方法、位移設計方法和能量設計方法。

1.承載力設計方法。承載力設計方法是目前各國規(guī)范所普遍采用的方法，基于承載力設計方法又可分為靜力法和反應譜法。靜力法產(chǎn)生于20世紀初期，是最早的結構抗震設計方法。上世紀初前后日本濃尾、美國舊金山和意大利Messina的幾次大地震中，人們注意到地震產(chǎn)生的水平慣性力對結構的破壞作用，提出把地震作用看成作用在建筑物上的一個總水平力，該水平力取建筑物總重量乘以一個地震系數(shù)。用現(xiàn)在的結構抗震知識來考察，靜力法沒有考慮結構的動力效應，即認為結構在地震作用下，隨地基做整體水平剛體移動，其運動加速度等于地面運動加速度，由此產(chǎn)生的水平慣性力，即建筑物重量與地震系數(shù)的乘積，并沿建筑物高度均勻分布。考慮到不同地區(qū)地震強度的差別，設計中取用的地面運動加速度按不同地震烈度分別給出。根據(jù)結構動力學的觀點，地震作用下結構的動力效應，即結構上質點的地震反加速度不同于地面運動加速度，而是與結構自振周期和阻尼比等有關。采用動力學方法可以求得不同周期單自由度彈性體系質點的加速度反應。以地震加速度反應為坐標，以體系的自振周期為橫坐標，所得到的關系曲線稱為地震加速度反應譜，用來計算地震引起的結構上的水平慣性力更為合理，即反應譜法。對于多自由度系，可以采用振型分解組合方法來確定地震作用。

2.位移設計方法?；谖灰?性能的抗震設計方法是近些年來隨著人們對結構抗震認識的深入而產(chǎn)生的。根據(jù)設計思路的不同，基于位移的抗震設計可以分為：直接基于位移的設計方法、能力譜方法和按延性系數(shù)設計的方法。

（1）直接基于位移的設計方法。該方法是先假定結構的整體側移模式，并按照結構動力學方法將實際的多自由度體系轉化為等效單自由度體系，確定等效單自由度體系結構的彈塑性地震位移反應，再根據(jù)側移模式反算出原多自由度體系各樓層的彈塑性地震位移反應，驗算其是否符合限值要求。該抗震設計方法直接用位移指標衡量結構的性能，比較直觀，計算方法也較為簡單，便于設計中應用。但是，該方法中控制結構性能的因素比較復雜，比如一般認為在小震下強度是控制結構性能的主要因素，但是單用位移指標來進行結構設計可能不夠全面。另外，設計過程中側移模式的選取、等效單自由度體系的轉化、各性能目標限值的確定以及高振型影響的忽略等等，都直接或間接地影響了該方法的精確性，所以該方法仍需要進行更深入地研究。

（2）能力譜方法。能力譜方法最初是由Freeman等人在1975年美國海軍工程項目簡化評估時提出來的，后經(jīng)許多學者不斷改進而來的方法。該方法是通過將地震反應譜曲線和結構能力譜曲線轉換成相同的格式，求得兩個曲線相交點（稱作性能點）的位移（稱作目標位移），或者采用圖示的方法直觀地評估結構在給定地震作用下的性能。能力譜法的實質是目前采用的基于力的設計方法加位移、變形的校核。雖然能力譜法沒有嚴密的理論論證，但由于該方法運用圖形對比結構的能力和地震地面運動對結構的需求，能夠比較直觀地評價結構在地震作用下的表現(xiàn)，所以該方法目前仍然被許多國家運用，如《日本建筑標準法》和美國的ATC—40都采用能力譜法作為基于性能的抗震設計。

（3）按延性系數(shù)設計的方法。一般建筑物都按照承受小于在彈性反應結構上產(chǎn)生的水平地震作用來進行設計，這意味著這樣的結構將會出現(xiàn)非線性變形，進而產(chǎn)生延性反應。一個結構所具備的良好延性有助于減小地震作用、吸收和耗散地震能量，避免結構倒塌。按延性系數(shù)設計的方法就是要考察結構屈服以后的延性反應過程，研究鋼筋混凝土構件與結構的延性問題。在新西蘭等國家得到廣泛運用的按延性系數(shù)設計方法的實質是通過建立構件的位移延性系數(shù)或截面曲率延性系數(shù)與塑性鉸區(qū)混凝土極限壓應變的關系，由約束箍筋來保證核心混凝土能夠達到所要求的極限壓應變，從而使構件具有要求的延性系數(shù)。按延性系數(shù)設計的方法可分為4個基本步驟：一是進行結構小震下承載力計算，求出截面內力以及配筋。二是根據(jù)大震和經(jīng)強度驗算選定的截面、配筋所得的結構實際強度，求出結構整體需要的位移延性系數(shù)。三是根據(jù)結構位移延性系數(shù)位移延性系數(shù)和結構體系的塑性變形機制，確定構件的延性需求，計算臨界截面需要的曲率延性系數(shù)。值得注意的是，不同的變形機制，其結構和構件間的延性關系也不同。四是通過與塑性鉸區(qū)混凝土極限壓應變的關系，確定箍筋，進行截面的延性設計。按延性系數(shù)設計的方法側重構造措施在結構抗震設計中的作用，對構造措施進行定量分析，并試圖建立一個明確的塑性變形機構，使建筑物在遭遇地震時按照預定的塑性變形方式進行反應。但按照該方法要真正實現(xiàn)結構具體的抗震性能目標還需要繼續(xù)進行更詳細深入的研究工作。

3.能量設計方法。能量分析的概念在1956年由Housner提出后，人們對它的研究一直在進行，但由于受技術手段的限制，多年來主要集中在概念的討論和單自由度結構的計算分析方面。直到20世紀70年代末和80年代初，隨著實際地震數(shù)字化記錄、震害觀測資料和結構試驗數(shù)據(jù)的大量積累，人們才清楚地認識到結構的能量反應在評價地面運動強度和結構破壞程度中的重要作用。尤其是隨著計算機技術的飛速發(fā)展，結構地震反應非線性時程分析方法的廣泛應用，使人們具備了深入系統(tǒng)地進行結構動力彈塑性能量反應分析的條件，能量分析方法的研究自此也進入了新的時期。

在建立的能量方程中，結構的阻尼耗能和滯回耗能隨時間單調增加，在地震結束時取得最大值。滯回耗能是最具有工程意義的能量反應指標，它能很好地反映強震持續(xù)時間對結構的影響，實踐中主要利用它來衡量結構的塑性累積損傷。當結構進入塑性階段以后，動能和彈性應變能在總耗能中所占的比例很小，而地震輸入給結構的能量主要依靠結構的非彈性變形和阻尼來耗散。可以這樣認為，阻尼耗能及體系的塑性變形能和滯回耗能能力決定了結構的抗震能力，也即如果體系阻尼耗能及滯回耗能能力大于地震輸入能量，即可保證結構的抗震性能，從而防止結構在地震作用下的倒塌。

二、目前國內外開展的一些研究工作

1.多級性能水準的確定與統(tǒng)一。生命安全水準、結構損傷水準和確保使用功能水準為當前規(guī)范普遍接受的3級性能水準。生命安全水準要求建筑在罕遇地震作用下不倒塌，結構損傷水準要求建筑損傷控制在可修復的范圍內，確保使用功能水準要求結構不產(chǎn)生影響建筑直接使用的變形等。基于性能的結構抗震設計要求細化這3級性能水準并建立相應的結構設計準則。

2.多級地震設防水準的確定與統(tǒng)一。當前規(guī)范普遍采用3級性能水準所對應的最高設防水準。在建筑使用期內遭遇一次地震危險的水準和可能遭受多次地震危險的水準3級地震設防水準。基于性能的結構抗震設計同樣要求細化這3級地震設防水準。

3.可行的結構設計與分析方法。要求建立適用于在多級水準地震作用下實現(xiàn)多級性能水準的結構設計與分析方法。

4.結構安全性評估方法的完善。當前由靜力推覆分析方法和能力譜分析方法結合形成的靜力彈塑性方法被普遍用來評估罕遇地震作用下建筑的抗震性能?；谛阅艿目拐鹧芯渴且粋€非常龐大和復雜的問題，就目前的發(fā)展水平而言，還存在許多問題需要進一步研究解決。在結構性能方面，雖然提出了不同性能水平，但只是對結構和非結構性能的破壞程度的描述，對結構“不壞、可修、不倒”定義模糊，未給出明確的量化指標。在結構多級性能目標方面，還需要進一步考慮建筑場地特征和近震的影響，以及設防水平與震后重建時間、費用之間的定量關系。對于高層建筑或沿高度側向剛度有變化的建筑，采用何種目標側移曲線，側向力分布模式是否考慮高階振型的影響，都需要作進一步深入的研究。以及如何針對復雜的混合塑性鉸分布破壞機制建立位移延性和曲率延性的轉化關系，從而獲得結構曲率延性需求，也有待進一步研究。