基于性能的抗震設(shè)計(jì)

魏鳳婷鄭 騏

（山東省土木工程防災(zāi)減災(zāi)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（山東科技大學(xué)） 青島 266590）

基于性能的抗震設(shè)計(jì)

魏鳳婷通訊作者鄭 騏

（山東省土木工程防災(zāi)減災(zāi)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（山東科技大學(xué)） 青島 266590）

近年來，隨著地震災(zāi)害的頻發(fā)所導(dǎo)致的生命財(cái)產(chǎn)的損失增大，基于性能的抗震設(shè)計(jì)逐漸被人們所熟知。本文主要闡述了基于性能的抗震設(shè)計(jì)的概念、性能水準(zhǔn)、性能指標(biāo)，并探討了相關(guān)的設(shè)計(jì)方法以及今后的發(fā)展趨勢。

抗震設(shè)計(jì)；性能指標(biāo)；性能水準(zhǔn)

引言

國際上普遍采用的結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)方法，雖然在一定程度上取得了相當(dāng)大的進(jìn)步，但在隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展、人口增加、土地資源減少的情況下，高層建筑不斷大量地涌現(xiàn)，地震給人們生命財(cái)產(chǎn)所帶來的損失也越來越嚴(yán)重。由于“三水準(zhǔn)”的設(shè)防思想概念比較模糊，在實(shí)際實(shí)施中不清晰，目前還是以保障人們的生命安全為前提。然而基于性能的抗震設(shè)計(jì)，在發(fā)生地震時，能夠從多個方面多個層次滿足人們的需求，最大限度的保證人們的生命財(cái)產(chǎn)安全。因此，基于性能的抗震設(shè)計(jì)日益?zhèn)涫荜P(guān)注，并成為未來抗震設(shè)計(jì)的發(fā)展方向。

1 基于性能的抗震設(shè)計(jì)的提出

基于性能的抗震設(shè)計(jì)理論(Performance -based Seismic Design,PBSD)是在九十年代初期提出的。隨著基于結(jié)構(gòu)性能的抗震設(shè)計(jì)理論的提出，美國和日本等國家相繼先后建立了相關(guān)研究課題，進(jìn)行以結(jié)構(gòu)功能評價為理論基礎(chǔ)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)體系研究。我國基于性能的抗震理論的研究開始于九十年代末，但是隨著我國學(xué)者進(jìn)一步的研究,也取得了一定的科研成果。

性能設(shè)計(jì)是指在建筑的細(xì)部構(gòu)造設(shè)計(jì)中，通過選擇一定的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)、恰當(dāng)?shù)慕Y(jié)構(gòu)形式、合理規(guī)劃比較來控制建造質(zhì)量和長期維護(hù)水平，使地震作用下建筑結(jié)構(gòu)的破壞不會超過其極限狀態(tài)。

基于性能的抗震設(shè)計(jì)的特點(diǎn)是: 抗震設(shè)計(jì)從單一目標(biāo)向多個目標(biāo)轉(zhuǎn)換，從基本目標(biāo)向不同地震作用下的基本目標(biāo)、重要目標(biāo)、特殊目標(biāo)轉(zhuǎn)換，滿足不同目標(biāo)下人們的需求，保證人們的生命財(cái)產(chǎn)安全，實(shí)現(xiàn)更加個體化的過渡。

2 結(jié)構(gòu)抗震性能水準(zhǔn)和性能指標(biāo)

2.1 結(jié)構(gòu)性能水準(zhǔn)

近年來，國內(nèi)外抗震設(shè)防目標(biāo)對建筑物的抗震能力有了更嚴(yán)格的規(guī)定，要求隨著地震強(qiáng)度的不同，建筑物的抗震能力也相應(yīng)不同。結(jié)構(gòu)構(gòu)件、非結(jié)構(gòu)構(gòu)件、內(nèi)部設(shè)施、裝修等多種因素也被基于性能的抗震設(shè)計(jì)考慮進(jìn)去。

目前我國實(shí)行的是“三水準(zhǔn)”（小震不壞，中震可修，大震不倒）的設(shè)防目標(biāo)和“兩階段”的設(shè)計(jì)方法。兩階段的設(shè)計(jì)方法，第一階段：多遇地震作用下的結(jié)構(gòu)和構(gòu)件承載力驗(yàn)算以及結(jié)構(gòu)彈性變形驗(yàn)算，是針對絕大多數(shù)結(jié)構(gòu)而進(jìn)行的，對各種建筑結(jié)構(gòu)按規(guī)范相關(guān)規(guī)定采取不同的抗震措施，其中，承載內(nèi)力和內(nèi)力組合是按照小震的要求，由于中震時承載能力已經(jīng)不滿足要求，所以中震的時候采用構(gòu)造配筋的方法；第二階段：針對于部分規(guī)范規(guī)定的結(jié)構(gòu)，則需要進(jìn)行罕遇地震下的彈性變形驗(yàn)算。

傳統(tǒng)抗震設(shè)計(jì)性能標(biāo)準(zhǔn)只是說“不壞、可修、不倒”，沒有具體明確的指出具體的內(nèi)容，概念模糊，而基于性能的抗震設(shè)計(jì)方法的性能水準(zhǔn)是綜合考慮經(jīng)濟(jì)水平、建筑造價、維修等因素來進(jìn)行劃分，更加的完善、細(xì)致。

2.2 結(jié)構(gòu)性能指標(biāo)

抗震性能目標(biāo)是指在每一個地震等級下，建筑物期望達(dá)到的性能水準(zhǔn)。對于一般建筑物,要求達(dá)到的基本性能目標(biāo)是：常遇地震下能基本保持完好；偶遇地震下有輕微損壞,但可修復(fù)；罕遇地震下保證生命安全；極罕遇地震下建筑物不倒塌。小震主要是承載能力和層間位移之間的關(guān)系；中震主要通過構(gòu)造措施，如增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的延性，軸壓比不能太大，箍筋率不能太??；對于大震來說，主要是彈塑性位移，由結(jié)構(gòu)的非線性分析來進(jìn)行變形階段的驗(yàn)算。

3 基于性能的結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)方法

當(dāng)下主要有以下三種基于性能的抗震設(shè)計(jì)方法：承載力設(shè)計(jì)方法；位移設(shè)計(jì)方法和能量設(shè)計(jì)方法。

3.1 承載力設(shè)計(jì)方法

基于力的設(shè)計(jì)，結(jié)合多性能變形與水平位移進(jìn)行評估，是承載力設(shè)計(jì)的常見方法，

3.2 位移設(shè)計(jì)方法

結(jié)構(gòu)位移與結(jié)構(gòu)變形能較好地反映其結(jié)構(gòu)性能，目前基于性能設(shè)計(jì)方法主要有兩種，即能力譜法和直接基于位移法，兩者均是基于位移的設(shè)計(jì)。

（1）直接基于位移法

直接基于位移法是指，從目標(biāo)位移出發(fā)，根據(jù)位移與強(qiáng)度或變形與剛度的關(guān)系（即非線性反應(yīng)譜），直接對結(jié)構(gòu)的剛度和強(qiáng)度進(jìn)行求解，從而完成結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。直接基于位移法需要進(jìn)行反復(fù)迭代計(jì)算，直至結(jié)構(gòu)性能滿足評估要求。

（2）能力譜法

能力譜法的基本思想是建立兩條相同基準(zhǔn)的譜線，即能力譜曲線和需求曲線。前者是由底部剪力一頂點(diǎn)位移曲線轉(zhuǎn)化而來的譜加速度一譜位移曲線，后者則為地震動輸入得到的加速度反應(yīng)譜轉(zhuǎn)化而來的需求譜曲線。在同一坐標(biāo)系中將兩條曲線分別繪出，兩條曲線的交點(diǎn)來作為結(jié)構(gòu)的性能點(diǎn)，目標(biāo)位移即曲線交點(diǎn)處位移，可以將得到的目標(biāo)位移進(jìn)行相應(yīng)變換，即為多自由度體系實(shí)際的頂點(diǎn)位移，根據(jù)結(jié)構(gòu)的底部剪力一頂點(diǎn)位移曲線，進(jìn)一步得到結(jié)構(gòu)的底部剪力，從而完成結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

可以通過采用規(guī)范中的彈性反應(yīng)譜和非線性反應(yīng)譜來建立地震需求譜曲線。等效阻尼比有關(guān)與規(guī)范中的彈性反應(yīng)譜有密切關(guān)聯(lián)，在將加速度彈性反應(yīng)譜轉(zhuǎn)換成加速度一位移曲線時，需要充分考慮結(jié)構(gòu)的等效粘滯阻尼，得到一系列具有不同阻尼比的等效單自由度體系的需求曲線，簡單直接地確定結(jié)構(gòu)彈性地震力需求，但在面對強(qiáng)震作用下的彈塑性位移問題時，則顯得無能為力。非線性反應(yīng)譜能較好地反映結(jié)構(gòu)非線性狀態(tài)，與結(jié)構(gòu)的延性相關(guān)，通過非線性反應(yīng)計(jì)算的回歸分析直接建立。

從上可以看出，基于位移的設(shè)計(jì)方法，最終都?xì)w根于如何建立非線性反應(yīng)譜求解結(jié)構(gòu)彈塑性位移需求的問題。

3.3 能量設(shè)計(jì)方法

能量設(shè)計(jì)方法是根據(jù)地震輸入能量和結(jié)構(gòu)消耗能量決定結(jié)構(gòu)及內(nèi)部設(shè)施的破壞程度。能量設(shè)計(jì)方法可以預(yù)估建筑物的破壞程度，但是由于沒有明確的參數(shù)選取及能量計(jì)算方法標(biāo)準(zhǔn)，能量設(shè)計(jì)方法還需進(jìn)一步研究。

4 發(fā)展趨勢

現(xiàn)行規(guī)范存在很多的不足之處。如基于承載力的設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)目標(biāo)為保證生命安全，難以進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性的評估；線性狀態(tài)的假定不符合實(shí)際；三水準(zhǔn)的抗震設(shè)防思想規(guī)定較為迷糊；“不壞、可修、不倒”只針對主體結(jié)構(gòu)。

現(xiàn)代建筑向高層、功能多樣性發(fā)展，要保證現(xiàn)代建筑在未來地震下不能倒塌，還應(yīng)控制經(jīng)濟(jì)損失的大小，保證建筑物正常使用。

[1]馬宏旺,呂西林.建筑結(jié)構(gòu)基于性能抗震設(shè)計(jì)的幾個問題[J].同濟(jì)大學(xué)學(xué)報(bào).2002,30(12):1429-1434.

[2]龔思禮.建筑抗震設(shè)計(jì)[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社,1994.

[3]程耿東,李剛.基于功能的結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)中一些問題的探討[J].建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報(bào),2000,21(1):5-11.

[4]汪夢甫,周錫元.基于性能的建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)[J].建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報(bào),2003,33(3): 59-61.

TU398+.2

A

1007-6344（2016）08-0057-01