建筑結(jié)構(gòu)基于性能的抗震設(shè)計(jì)理論及方法

黃鶴 王佳蕾

摘要：通過(guò)將現(xiàn)行抗震設(shè)計(jì)理論與文章所討論的基于性能的抗震設(shè)計(jì)理論進(jìn)行簡(jiǎn)單比較，為不斷完善基于性能抗震設(shè)計(jì)理論并能廣泛應(yīng)用到各建筑領(lǐng)域，將地震所帶來(lái)的各類損失與傷亡影響降到最低為目的。建筑結(jié)構(gòu)基于性能的抗震設(shè)計(jì)理論是當(dāng)今世界抗震設(shè)計(jì)的主流趨勢(shì)，文章對(duì)該設(shè)計(jì)理論與方法加以闡述，介紹該理論的提出與發(fā)展概況，設(shè)計(jì)方法并加以簡(jiǎn)要綜述。

關(guān)鍵詞：抗震設(shè)計(jì)；基于性能；設(shè)計(jì)理論；設(shè)計(jì)方法；位移影響系數(shù)法；能力譜法；直接位移設(shè)計(jì)法

中圖分類號(hào)：TU352 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-2374（2012）03-0050-02

近100年來(lái)，隨著人們對(duì)地震的運(yùn)動(dòng)特征和反應(yīng)特征的探索和認(rèn)識(shí)逐步加深，人類科技水平不斷提高，對(duì)于建筑結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)及方法也在不斷的完善。各類理論在通過(guò)地震的考驗(yàn)后逐漸發(fā)展、全面、多樣化，其中基于性能的抗震設(shè)計(jì)理念是為當(dāng)下各國(guó)所大力發(fā)展的。

一、建筑結(jié)構(gòu)基于性能的抗震設(shè)計(jì)概況

（一）基于性能的抗震設(shè)計(jì)的提出

20世紀(jì)90年代初，美國(guó)學(xué)者首先提出了這項(xiàng)設(shè)計(jì)理論，以改進(jìn)基于承載力的傳統(tǒng)設(shè)計(jì)理念，用量化的抗震指標(biāo)來(lái)控制建筑抗震性能，隨即被各國(guó)所重視。該項(xiàng)設(shè)計(jì)理論基礎(chǔ)是結(jié)構(gòu)性能分析，根據(jù)用途和要求確定性能，使建筑物在面對(duì)不同的地震等級(jí)中達(dá)到預(yù)期抗震目標(biāo)。

1995年，美國(guó)的放眼21世紀(jì)委員會(huì)提出了基于性能抗震設(shè)計(jì)的框架，此專項(xiàng)研究得到美國(guó)政府大力支持與資助，并進(jìn)行了有前瞻性的多方面研究。此后，澳大利亞、日本、新西蘭、英國(guó)、智利等國(guó)家也在多方資助下，為推進(jìn)此專項(xiàng)研究，成立了各類委員會(huì)，包括評(píng)估、分析、協(xié)調(diào)、規(guī)范等，在對(duì)這項(xiàng)理論進(jìn)行了大量的研究后，均提出和采用了力求達(dá)到國(guó)際一體化要求的一系列抗震設(shè)計(jì)理論。

我國(guó)在這項(xiàng)理論的研究上起步較晚，為了與國(guó)際規(guī)范同步，我國(guó)在與美國(guó)等在這項(xiàng)研究領(lǐng)域取得先進(jìn)成果的國(guó)家進(jìn)行學(xué)術(shù)交流、學(xué)習(xí)中，對(duì)這項(xiàng)理論進(jìn)行專項(xiàng)研究并引入理論，許多中國(guó)高校也開(kāi)展了專項(xiàng)研究，旨在不斷發(fā)展和完善出符合我國(guó)國(guó)情的性能抗震設(shè)計(jì)理論，并取得了一定的研究成果。

（二）性能抗震設(shè)計(jì)理念的特點(diǎn)

通過(guò)對(duì)現(xiàn)行抗震設(shè)計(jì)理論的實(shí)踐，可以對(duì)兩者進(jìn)行對(duì)比，以得到性能抗震設(shè)計(jì)理念的特點(diǎn)。

1．多級(jí)設(shè)防。相對(duì)于現(xiàn)行的三階段設(shè)防目標(biāo)（小震不壞、中震可修、大震不倒），性能抗震設(shè)計(jì)注重多級(jí)設(shè)防，保護(hù)非結(jié)構(gòu)件與內(nèi)部設(shè)施，后者的設(shè)計(jì)理念既保證使用者安全，又減輕業(yè)主和社會(huì)的經(jīng)濟(jì)損失與壓力。

2．投資效益準(zhǔn)則。性能抗震設(shè)計(jì)偏重于安全、經(jīng)濟(jì)等多方面。在安全與經(jīng)濟(jì)之間找到合理、平衡的切入點(diǎn)，確定最佳方案，以優(yōu)化設(shè)計(jì)為目的。

3．自由度大。相比較傳統(tǒng)抗震設(shè)計(jì)刻板的被動(dòng)狀態(tài)，性能抗震設(shè)計(jì)可根據(jù)業(yè)主的要求確定目標(biāo)，給設(shè)計(jì)帶來(lái)新的動(dòng)力。

（三）性能抗震設(shè)計(jì)目標(biāo)

目標(biāo)為在不同地震等級(jí)的作用下，建筑物結(jié)構(gòu)能達(dá)到預(yù)期所應(yīng)達(dá)到的水平。最大程度的在經(jīng)濟(jì)與結(jié)構(gòu)可靠性上找到合理的平衡點(diǎn)。建立設(shè)計(jì)目標(biāo)需要考慮場(chǎng)地、結(jié)構(gòu)所需功能、建筑重要性、損失與重建等各方面的因素。

（四）設(shè)計(jì)設(shè)防水準(zhǔn)

1．地震設(shè)防水準(zhǔn)。抗震設(shè)計(jì)設(shè)防對(duì)象所選擇的地震強(qiáng)度，直接決定建筑物的抗震能力，如何確定設(shè)防水準(zhǔn)在基于性能抗震設(shè)計(jì)中有決定性的地位。應(yīng)取決于優(yōu)化后的經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)上來(lái)確定并根據(jù)地震參數(shù)及烈度作設(shè)防水準(zhǔn)。

2．結(jié)構(gòu)性能水準(zhǔn)。地震等級(jí)作用下對(duì)建筑物預(yù)期破壞最大程度。除了對(duì)主體結(jié)構(gòu)破壞帶來(lái)的損失有控制力外，還要注重對(duì)非主體、內(nèi)設(shè)施的損壞的控制。因此，能兼顧主體、非主體結(jié)構(gòu)破壞程度的結(jié)構(gòu)性能水準(zhǔn)才是合理、科學(xué)的。

（五）現(xiàn)行抗震設(shè)計(jì)局限性

1．現(xiàn)行抗震設(shè)計(jì)很少對(duì)建筑結(jié)構(gòu)在地震發(fā)生時(shí)的性能進(jìn)行評(píng)估，只是按規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)。

2．業(yè)主與使用者并不了解所使用的建筑結(jié)構(gòu)的抗震性能。

3．經(jīng)濟(jì)評(píng)估準(zhǔn)則并沒(méi)有在建筑業(yè)中得到廣泛應(yīng)用。

（六）現(xiàn)行抗震設(shè)計(jì)理念存在問(wèn)題

1．設(shè)計(jì)參數(shù)選擇不當(dāng)。我國(guó)現(xiàn)行抗震設(shè)計(jì)基于強(qiáng)度或承載力，但經(jīng)實(shí)踐表明建筑物結(jié)構(gòu)的抗震不僅基于強(qiáng)度。

2．性能概念不明確?，F(xiàn)行設(shè)計(jì)規(guī)范對(duì)多級(jí)設(shè)防的目標(biāo)描述較模糊，業(yè)主追求最經(jīng)濟(jì)的方案，設(shè)計(jì)人員追求單純的重力承載，基礎(chǔ)未能處于科技的評(píng)價(jià)之上，導(dǎo)致面臨地震時(shí)損失的加重。

3．損失控制不力。現(xiàn)行設(shè)計(jì)理念除了重視主體結(jié)構(gòu)損壞造成損失外，對(duì)非主體結(jié)構(gòu)、內(nèi)部設(shè)施損壞所帶來(lái)的損失容易忽視。

4．刻板的規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)。設(shè)計(jì)者走不出以往設(shè)計(jì)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)的條框，約束了設(shè)計(jì)人員的主動(dòng)性。

5．設(shè)計(jì)方法的欠缺?，F(xiàn)行的設(shè)計(jì)方法偏于保守，限制了新技術(shù)的應(yīng)用。

二、基于性能的抗震設(shè)計(jì)方法

（一）性能抗震設(shè)計(jì)階段

1．概念設(shè)計(jì)。根據(jù)用途和業(yè)主的要求，合理確定設(shè)防目標(biāo)，通過(guò)場(chǎng)地、建筑平面等進(jìn)行初步設(shè)計(jì)。

2．計(jì)算設(shè)計(jì)。根據(jù)預(yù)定的設(shè)防目標(biāo)，計(jì)算出能影響各類因素的抗震參數(shù)，參數(shù)與預(yù)定目標(biāo)不符要及時(shí)修改，直至滿足參數(shù)需求。以基于位移的抗震性能設(shè)計(jì)為例，主要包括步驟有確定不同強(qiáng)度地震作用下性能目標(biāo)；根據(jù)初步設(shè)計(jì)，確定結(jié)構(gòu)內(nèi)的位移的極限值；通過(guò)等效阻尼比等各類等效數(shù)值，確定等效剛度；設(shè)計(jì)采用必需的構(gòu)造措施；評(píng)價(jià)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要求和變形能力。以嚴(yán)謹(jǐn)、科學(xué)、合理的態(tài)度進(jìn)行評(píng)估，如計(jì)算階段有不符合，則需重復(fù)計(jì)算設(shè)計(jì)步驟，以不斷完善結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

3．性能評(píng)估。通過(guò)各類的分析法得出設(shè)計(jì)結(jié)果來(lái)確定該建筑結(jié)構(gòu)的性能。

（二）性能抗震設(shè)計(jì)方法

目前大致主要有：位移影響系數(shù)、能力譜、直接位移設(shè)計(jì)等方法。

1．位移影響系數(shù)法?；诮Y(jié)構(gòu)性能設(shè)計(jì)方法，通過(guò)分析得出的最大期望位移值，利用等效方法、模態(tài)進(jìn)行確定。以達(dá)到此系數(shù)的修正作用。此方法還存在著由于它是整體抗震評(píng)估方法，無(wú)法具體體現(xiàn)主要結(jié)構(gòu)、樓層的損壞情況與抗震水準(zhǔn)等問(wèn)題。

2．能力譜法。1975年被提出，隨后不斷改進(jìn)。能力譜設(shè)計(jì)是將能力譜曲線與地震反應(yīng)譜轉(zhuǎn)化而來(lái)的需求譜，進(jìn)行比較來(lái)評(píng)估其抗震性能。此方法側(cè)重對(duì)結(jié)構(gòu)的實(shí)際性能進(jìn)行驗(yàn)算、評(píng)估。另外，能力譜設(shè)計(jì)法比較適用于平面結(jié)構(gòu)可簡(jiǎn)化且分布較均勻的結(jié)構(gòu)，否將會(huì)產(chǎn)生不小的誤差。

3．直接位移設(shè)計(jì)法。側(cè)重于結(jié)構(gòu)性能設(shè)計(jì)，概念簡(jiǎn)單，根據(jù)地震等級(jí)來(lái)預(yù)期位移計(jì)算，使結(jié)構(gòu)達(dá)到預(yù)定位移。此方法也存在著只能從建筑結(jié)構(gòu)材料的極限變化得到數(shù)值，而不能考慮到預(yù)期以外的強(qiáng)震效應(yīng)的不足。

三、結(jié)語(yǔ)

建筑結(jié)構(gòu)基于性能的抗震設(shè)計(jì)是比較寬泛的體系，它是現(xiàn)行抗震設(shè)計(jì)的延續(xù)與發(fā)展，以結(jié)構(gòu)性能分析作為基礎(chǔ)，建筑物的性能目標(biāo)以全面、科學(xué)的因素來(lái)確定，使建筑物在面對(duì)不同等級(jí)的地震時(shí)，能達(dá)到預(yù)期的抗震目標(biāo)。與傳統(tǒng)抗震設(shè)計(jì)相比，優(yōu)點(diǎn)明顯：基于性能抗震相較于以往更系統(tǒng)化；性能抗震設(shè)計(jì)的適應(yīng)性、連貫性更好，應(yīng)用意義更大；靈活性的加大，使設(shè)計(jì)人員能發(fā)揮創(chuàng)造性，增加對(duì)新技術(shù)、新材料的推廣應(yīng)用等。性能抗震設(shè)計(jì)方法也需要解決一些設(shè)防水準(zhǔn)數(shù)據(jù)化的劃分，合理的參數(shù)取值范圍介定等問(wèn)題，才能更好的服務(wù)于社會(huì)經(jīng)濟(jì)建設(shè)，達(dá)到符合我國(guó)國(guó)情的設(shè)計(jì)規(guī)范。

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（責(zé)任編輯：趙秀娟）