基于性能的抗震設(shè)計在建筑結(jié)構(gòu)方面應(yīng)用研究

宋兆陽　王灼　于洪權(quán)　白金羽

摘 要：本文簡要介紹了基于性能的抗震設(shè)計方法在一些典型建筑結(jié)構(gòu)方面的應(yīng)用，并結(jié)合相關(guān)研究分析了各種方法的異同。

關(guān)鍵詞：性能；抗震；建筑結(jié)構(gòu)

基于性能的抗震設(shè)計理論是20世紀90年代初由美國學者提出，按此理論設(shè)計的結(jié)構(gòu)在未來的地震災(zāi)害下能夠維持所要求的性能水平?；谛阅艿目拐鹪O(shè)計作為一種更合理的設(shè)計理念，代表了未來結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計的發(fā)展方向，引起了各國廣泛的重視。我國國家自然科學基金“八五”重大項目“城市與工程減災(zāi)基礎(chǔ)研究”的有關(guān)專題就開始涉及到這方面的研究。國家自然科學基金“九五”重大項目“大型復雜結(jié)構(gòu)體系的關(guān)鍵科學問題和設(shè)計理論”的一些專題包含了這方面的部分內(nèi)容。中國建筑科學研究院工程抗震研究所聯(lián)合國內(nèi)部分高校和研究所開展了“我國2000年工程抗震設(shè)計模式規(guī)范”的研究，并于2000年《建筑結(jié)構(gòu)學報》第一期介紹了這方面的研究成果。

目前，基于性能的抗震設(shè)計思想已經(jīng)漸漸為許多建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計、施工、維護所采用。

一、大跨度懸臂桁架結(jié)構(gòu)

范峰等在研究了懸臂桁架結(jié)構(gòu)的強震失效機理的基礎(chǔ)上，詳細介紹了基于性能的抗震評估方法——增量動力分析（Incremental Dynamic Analysis，IDA）的基本原理和具體實施步驟，闡述了IDA方法相關(guān)參數(shù)的確定原則，并利用該方法對懸臂桁架結(jié)構(gòu)進行了有效的抗震性能評估，從概率的角度評價了懸臂桁架結(jié)構(gòu)在未來遭遇地震時的可靠性。

二、鋼筋混凝土高墩

李正英等根據(jù)鋼筋混凝土高墩的地震反應(yīng)特性，確定采用曲率延性系數(shù)作為性能參數(shù)，并給出橋墩在地震作用下曲率延性系數(shù)對應(yīng)各性能水準的量化值。分別以位移延性系數(shù)、位移角限值以及曲率延性系數(shù)作為性能評價指標，采用增量動力分析法對橋墩進行抗震性能研究。

三、橋梁結(jié)構(gòu)

鄒永旺，賀國京在分析方法的基礎(chǔ)上，應(yīng)用統(tǒng)計的強度折減系數(shù)模型，基于概率分析方法，應(yīng)用隨機地震作用模型考慮地震作用的隨機性，評估橋梁結(jié)構(gòu)在確定性烈度的地震作用下和年基準期內(nèi)的抗震可靠度。

穆哲，楊光輝對紅旗村黃河大橋進行了Pushover分析和抗震能力評估，最后分析了現(xiàn)有加載模式和非線性分析的差異。Pushover分析方法是一種用于預測地震動作用下將復雜的動力彈塑性問題簡化為靜力彈塑性問題的近似方法，主要討論結(jié)構(gòu)在地震動作用下所受到的變形和力。其基本原理是：在結(jié)構(gòu)分析模型上施加某種方式的荷載（如模態(tài)荷載、均勻荷載、倒三角形荷載等）來模擬地震水平慣性力。

抗震性能目標規(guī)定為在給定設(shè)計地震動水平下結(jié)構(gòu)超過規(guī)定的抗震性能水平的條件概率，以期解決我國公路橋梁的抗震設(shè)防目標長期沒有規(guī)定預期的可靠度的問題；采用一次二階矩法，建立基于需求能力系數(shù)的抗震性能設(shè)計的極限狀態(tài)方程，該方程同時考慮結(jié)構(gòu)地震需求和抗震能力的不確定性。

四、RC框架結(jié)構(gòu)

崔雙雙，呂大剛采用靜力能力譜方法、動力能力譜方法和時程分析方法，對所設(shè)計的RC框架結(jié)構(gòu)進行分析，研究不同強度需求譜作用下結(jié)構(gòu)整體抗震性能系數(shù)的需求值。針對“側(cè)向連續(xù)倒塌”失效模式，采用基于備用荷載路徑的Pushover方法、靜力能力譜方法、IDA方法和位移需求能力系數(shù)法，分別從強度、耗能以及變形的角度，對所設(shè)計結(jié)構(gòu)的抗側(cè)向連續(xù)倒塌能力進行研究，并將基于承載力的魯棒性指標分別拓展到基于譜加速度和變形的魯棒性指標。針對“豎向連續(xù)倒塌”失效模式，采用考慮構(gòu)件失效加載方案的Pushdown分析方法和考慮構(gòu)件失效時長的豎向IDA分析方法，分析損傷結(jié)構(gòu)在初始屈服狀態(tài)、整體屈服狀態(tài)和承載能力極限狀態(tài)時的抗豎向連續(xù)倒塌能力，并得到其相應(yīng)的抗豎向連續(xù)倒塌魯棒性指標。

楊偉，歐進萍等在基于性能的抗震設(shè)計理論研究的基礎(chǔ)上，針對Park&Ang提出的雙參數(shù)損傷模型，首先研究了其簡化的計算方法；在已有的“規(guī)范設(shè)計+損傷驗算”的損傷設(shè)計理論基礎(chǔ)上（這種損傷性能設(shè)計方法是將規(guī)范設(shè)計方法中的彈塑性變形驗算改為損傷性能驗算），進一步研究鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)直接基于損傷性能的抗震設(shè)計方法。研究了基于Park&Ang損傷模型的彈塑性反應(yīng)譜（“損傷譜”，損傷譜綜合考慮了結(jié)構(gòu)最大位移反應(yīng)和結(jié)構(gòu)累積滯回耗能的耦合作用）。

馬倩等針對傳統(tǒng)能力譜法以基本振型為振動控制向量的缺陷，研究了高階振型對結(jié)構(gòu)動力反應(yīng)的影響，詳細推導了考慮高階振型影響的結(jié)構(gòu)動力方程；對鋼筋混凝土框架進行了模態(tài)能力譜分析（簡稱MPA法）和時程分析，所得層間位移角曲線與倒三角、多振型樓層慣性力組合以及基本振型加載下的結(jié)果對比顯示，高階振型對高層結(jié)構(gòu)的動力反應(yīng)影響明顯，采用模態(tài)能力譜法能有效提高結(jié)構(gòu)性能評價的精度。

五、火電廠主廠房框排架結(jié)構(gòu)

尹龍星等探討靜力彈塑性推覆（Pushover）分析方法在不規(guī)則結(jié)構(gòu)分析中的適用性，論證多維空間推覆方法和考慮高階振型對火電廠主廠房框排架結(jié)構(gòu)的影響。研究不同加載模式下結(jié)構(gòu)能力曲線和破壞模式的區(qū)別，并分析了不同狀態(tài)下結(jié)構(gòu)內(nèi)力、變形、塑性鉸分布與時程分析結(jié)果的差異。利用ATC40能力譜法和改進能力譜法對框排架結(jié)構(gòu)進行抗震性能評估，探討能力譜法用于不規(guī)則結(jié)構(gòu)時的可行性，同時對比分析兩種方法在評估過程中的優(yōu)缺點，給出不同狀況下的應(yīng)用建議。基于性能的抗震設(shè)計是未來結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計的發(fā)展方向，基于損傷性能的抗震設(shè)計方法是其中重要的一部分內(nèi)容。

六、總結(jié)

目前在結(jié)構(gòu)中常用的基于性能的抗震設(shè)計分析方法主要包括：基于位移的設(shè)計方法、基于損傷性能的設(shè)計方法、基于能量的設(shè)計方法、綜合設(shè)計方法、基于可靠度的設(shè)計方法等，基于位移的抗震設(shè)計方法大致有控制延性的方法（能力設(shè)計方法）、能力譜法和直接基于位移法。另一說法，目前在結(jié)構(gòu)中常用的基于性能的抗震設(shè)計分析方法主要包括基于靜力的分析方法、基于動力的分析方法、能力設(shè)計方法、結(jié)構(gòu)易損性分析方法、綜合設(shè)計法。基于靜力的分析方法主要包括能力譜法、位移修正系數(shù)法、設(shè)計譜方法、適應(yīng)譜推覆分析方法（Pushover法）、模態(tài)推覆分析方法（模態(tài)Pushover法）以及Ay-Dy格式地震需求譜等。基于動力的分析方法主要包括彈塑性時程分析法、增量動力分析法（IDA）、蟻群優(yōu)化法等。（作者單位：大連理工大學建設(shè)工程學部）

參考文獻：

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[2] 李正英等.鋼筋混凝土高墩抗震性能評價指標[J].重慶大學學報，2014，37（2）

[3] 鄒永旺，賀國京.基于概率Pushover的橋梁結(jié)構(gòu)抗震可靠性分析[D].中南林業(yè)科技大學碩士論文，2010

[4] 穆哲，楊光輝.紅旗村黃河大橋的抗震性能分析[D].長安大學碩士論文，2012

[5] 崔雙雙，呂大剛.RC框架結(jié)構(gòu)整體抗震性能系數(shù)與綜合反應(yīng)修正系數(shù)研究[D].哈爾濱工業(yè)大學博士論文

[6] 楊偉，歐進萍等.鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)損傷性能設(shè)計及整體抗震能力分析[D].哈爾濱工業(yè)大學博士論文，2010

[7] 夏堅，楊偉等.鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)直接基于損傷性能的抗震設(shè)計方法[J].建筑結(jié)構(gòu)，2012

[8] 馬倩，閆月梅.混凝土框架結(jié)構(gòu)基于性能的抗震分析方法研究[D].西安科技大學碩士論文，2013

[9] 尹龍星，白國良.火電廠主廠房框排架結(jié)構(gòu)多維地震反應(yīng)分析與性能設(shè)計方法研究[D].西安建筑科技大學博士論文，2013