基于性能的結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)方法淺談

田紫君

摘 要：地震作為突發(fā)性和破壞性都極強(qiáng)的自然災(zāi)害，給人類(lèi)社會(huì)造成了嚴(yán)重危害，表明目前的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)思想和方法還有許多不足之處。本文簡(jiǎn)述了基于性能結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)理論的提出和含義，闡明了該理論的實(shí)施方法和主要內(nèi)容，包括地震設(shè)防水準(zhǔn)、結(jié)構(gòu)性能水平以及結(jié)構(gòu)抗震目標(biāo)，對(duì)比分析了國(guó)內(nèi)外對(duì)各內(nèi)容的定義和劃分方式，并討論了目前存在的問(wèn)題。

關(guān)鍵詞：基于性能 結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì) 地震設(shè)防水準(zhǔn) 結(jié)構(gòu)性能水平 結(jié)構(gòu)抗震目標(biāo)

中圖分類(lèi)號(hào)：TU318.1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2018）05（c）-0067-03

近年來(lái)連續(xù)發(fā)生在人口稠密地區(qū)的幾次破壞性大地震，如中國(guó)汶川地震（2008，M8.0）、智利大地震（2010，M8.8）、東日本大地震（2011，M9.0）等，都造成了慘重的生命和經(jīng)濟(jì)損失，迫使工程界重新審視現(xiàn)有的結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)理念和方法，改進(jìn)和完善基本理論和設(shè)計(jì)思路，以期盡量減少地震給人們帶來(lái)的危害，而基于性能的結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)應(yīng)運(yùn)而生[1]。

1 基于性能抗震設(shè)計(jì)理論的提出及含義

美國(guó)放眼21世紀(jì)委員會(huì)（Vision2000 Committee）于1995年首次提出了基于性能的抗震設(shè)計(jì)理念，初步構(gòu)建了基于性能抗震設(shè)計(jì)的框架[2]。在隨后的兩年，美國(guó)又相繼提出4種以性能分析為基礎(chǔ)的結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)方法和基于性能的地震工程，并得到廣泛重視和采納。日本也較早開(kāi)展了基于性能抗震設(shè)計(jì)的研究，并先后啟動(dòng)了“新型建筑結(jié)構(gòu)體系開(kāi)發(fā)”項(xiàng)目和修訂《建筑標(biāo)準(zhǔn)法》。我國(guó)在1996年召開(kāi)的中美抗震規(guī)范學(xué)術(shù)討論會(huì)上，將基于性能抗震設(shè)計(jì)與結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)相結(jié)合，建立了基于性能的抗震優(yōu)化設(shè)計(jì)方法[3]。同時(shí)有學(xué)者建議，我國(guó)未來(lái)的抗震設(shè)計(jì)要與國(guó)際同步發(fā)展，開(kāi)拓與我國(guó)國(guó)情相適應(yīng)的基于性能抗震設(shè)計(jì)理論[4]。

基于性能抗震設(shè)計(jì)的關(guān)鍵在于“性能”，它與結(jié)構(gòu)的破損程度相關(guān)，而這種程度可以由結(jié)構(gòu)的反應(yīng)參數(shù)，如力、位移、應(yīng)力、能量等定量指標(biāo)來(lái)描述，并且與社會(huì)需求和經(jīng)濟(jì)狀況等因素有關(guān)。也就是說(shuō)，基于性能抗震設(shè)計(jì)是使結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)和使用基準(zhǔn)期內(nèi)，針對(duì)不同水平的地震作用都具有明確的性能水準(zhǔn)，并使結(jié)構(gòu)在全壽命周期內(nèi)總費(fèi)用最小。

2 基于性能抗震設(shè)計(jì)理論的主要內(nèi)容

基于性能的結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)以“多級(jí)抗震設(shè)防”思想為基礎(chǔ)，針對(duì)不同的抗震設(shè)防水準(zhǔn)，提出與之相應(yīng)的結(jié)構(gòu)性能水平。設(shè)計(jì)師根據(jù)業(yè)主的需要，使得結(jié)構(gòu)在未來(lái)可能遭受的不同強(qiáng)度的地震作用下都具有明確的抗震性能，結(jié)構(gòu)的破壞程度能為業(yè)主所接受。

2.1 地震設(shè)防水準(zhǔn)

地震設(shè)防水準(zhǔn)是一系列具體的地震動(dòng)參數(shù)，如地震加速度、速度或位移時(shí)程曲線(xiàn)，加速度反應(yīng)譜等，需要根據(jù)場(chǎng)地條件和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等級(jí)來(lái)確定，同時(shí)應(yīng)考慮由社會(huì)經(jīng)濟(jì)條件決定的設(shè)防目標(biāo)和設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期內(nèi)預(yù)期的總損失。由于地震是一個(gè)隨機(jī)事件，因此將基準(zhǔn)期內(nèi)的超越概率轉(zhuǎn)換為重現(xiàn)期來(lái)表達(dá)[5]。根據(jù)概率統(tǒng)計(jì)方法，我國(guó)現(xiàn)行抗震規(guī)范采用“小震”“中震”及“大震”3個(gè)設(shè)防水準(zhǔn)[6]，如表1所示。

美國(guó)Vision 2000和聯(lián)邦緊急救援署都給出了不同的設(shè)防水準(zhǔn)劃分，如表2、表3所示。表2中，水準(zhǔn)1、3、5分別對(duì)應(yīng)表1中的我國(guó)設(shè)定的3個(gè)設(shè)防水準(zhǔn)，但是美國(guó)的劃分更細(xì)化。

2.2 結(jié)構(gòu)性能水平

確定了地震設(shè)防水準(zhǔn)之后，需要考慮在不同設(shè)防水準(zhǔn)下結(jié)構(gòu)構(gòu)件或非結(jié)構(gòu)構(gòu)件的最大破壞程度，這就是結(jié)構(gòu)性能水平。對(duì)其劃分應(yīng)綜合考慮場(chǎng)地條件、結(jié)構(gòu)重要性和使用要求、設(shè)備與裝修費(fèi)用、震后損失和修復(fù)以及社會(huì)經(jīng)濟(jì)條件等因素的影響[7]。目前，各國(guó)采用的結(jié)構(gòu)性能水平劃分如表4所示，同時(shí)我國(guó)在表中所示的5個(gè)等級(jí)基礎(chǔ)上又確定了3個(gè)基本性能水平，即“小震不壞”“中震可修”和“大震不倒”。

從表4可以看出，對(duì)結(jié)構(gòu)性能水平的劃分僅具有定性意義，缺乏具體明確的量化標(biāo)準(zhǔn)，使得實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)很難把握結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的“度”。由于結(jié)構(gòu)性能取決于其破壞狀態(tài)，而破壞狀態(tài)又可由結(jié)構(gòu)的反應(yīng)參數(shù)表征，所以結(jié)構(gòu)性能的量化指標(biāo)可以采用力、變形、應(yīng)變、能量等反應(yīng)參數(shù)來(lái)確定。

2.3 抗震性能目標(biāo)

結(jié)構(gòu)抗震性能目標(biāo)是在已確定的地震設(shè)防水準(zhǔn)和結(jié)構(gòu)性能水平基礎(chǔ)上，根據(jù)結(jié)構(gòu)類(lèi)型、建筑造價(jià)、地震損失、社會(huì)效益以及業(yè)主的承受能力等因素組合而成的一個(gè)目標(biāo)系列，從而確定結(jié)構(gòu)在不同強(qiáng)度地震作用下的最大破壞狀態(tài)應(yīng)保持在何種水平。性能目標(biāo)應(yīng)以多級(jí)設(shè)防為原則，破壞狀態(tài)水平的設(shè)定直接關(guān)系到結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的可行性。目標(biāo)定得過(guò)高，即使提高了結(jié)構(gòu)的安全性，卻也增加了造價(jià)；目標(biāo)定得過(guò)低，則降低了結(jié)構(gòu)安全性并增加了維護(hù)成本。表5、表6分別給出了日本建筑研究院和FEMA的目標(biāo)劃分。

除此之外，還可以采用“投資―效益”準(zhǔn)則來(lái)劃分。設(shè)計(jì)者不單要考慮技術(shù)因素，還要考慮社會(huì)、經(jīng)濟(jì)、政治等因素，從而在設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期內(nèi)，當(dāng)遭受可能發(fā)生的地震作用時(shí)能有效控制結(jié)構(gòu)的破壞狀態(tài)，并使得結(jié)構(gòu)在初始造價(jià)和未來(lái)的損失期望達(dá)到一種平衡：E=B-C-D=最大，其中E為工程項(xiàng)目的經(jīng)濟(jì)效益；B為投資效益，包括工程項(xiàng)目建設(shè)期和建成后形成的直接與間接收益；C為項(xiàng)目投資；D為投資損失。

3 存在的問(wèn)題

3.1 地震設(shè)防水準(zhǔn)不統(tǒng)一

目前，各國(guó)規(guī)范對(duì)地震設(shè)防水準(zhǔn)的界定沒(méi)有統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，劃分的等級(jí)數(shù)量也不同。表7中顯示，我國(guó)規(guī)范給出的小震設(shè)防水準(zhǔn)相對(duì)偏低，可能導(dǎo)致第一階段的抗震設(shè)計(jì)中設(shè)計(jì)強(qiáng)度和彈性變形偏小，造成由此設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)不滿(mǎn)足常遇地震和罕遇地震的性能水平；而中震和大震則與美國(guó)規(guī)范基本一致。

3.2 性能水平和目標(biāo)不夠量化、細(xì)化

目前基于性能的結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)主要采用直接基于位移的設(shè)計(jì)方法，以位移作為性能指標(biāo)。然而在三水準(zhǔn)設(shè)防中，已經(jīng)對(duì)“小震不壞”和“大震不倒”限定了相應(yīng)狀態(tài)下的層間位移角，但對(duì)“中震可修”沒(méi)有變形規(guī)定，只有定性描述，這就需要對(duì)結(jié)構(gòu)在較大范圍的中震作用區(qū)域的性能指標(biāo)進(jìn)行量化和細(xì)化。同時(shí)，有學(xué)者認(rèn)為單純的位移指標(biāo)不能全面反映結(jié)構(gòu)的抗震性能，必須使用多個(gè)指標(biāo)綜合考量，但指標(biāo)過(guò)多又會(huì)使結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)異常復(fù)雜，還可能出現(xiàn)各性能指標(biāo)不能同時(shí)得到滿(mǎn)足的情況。

3.3 側(cè)向力分布模式問(wèn)題

當(dāng)采用靜力彈塑性分析方法進(jìn)行結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)時(shí)，需要確定模擬水平地震作用的側(cè)向力的分布模式。盡管有不少?lài)?guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)側(cè)向力的分布模式進(jìn)行了研究和改進(jìn)，但仍有很多問(wèn)題沒(méi)有解決，如有的側(cè)向力分布模式過(guò)于簡(jiǎn)單，無(wú)法考慮地震作用下結(jié)構(gòu)高振型的影響，有的又過(guò)于復(fù)雜，難以在實(shí)際工程中應(yīng)用，或者對(duì)于不規(guī)則結(jié)構(gòu)缺乏合理的側(cè)向力分布模式。

4 尚未形成完整、系統(tǒng)的理論體系

盡管目前對(duì)于基于性能抗震設(shè)計(jì)理論的研究已經(jīng)取得了顯著成果，但這些成果都偏向于某一方面。例如：對(duì)基于“投資―效益”準(zhǔn)則的結(jié)構(gòu)性能目標(biāo)進(jìn)行優(yōu)化；對(duì)能力譜法中的彈塑性需求譜曲線(xiàn)進(jìn)行改進(jìn)等。但是從整體角度來(lái)看，由于各國(guó)學(xué)者在研究中的深入點(diǎn)不同，或者采用的假設(shè)條件和研究方法不同等因素，基于性能的抗震設(shè)計(jì)尚未形成一個(gè)系統(tǒng)、全面的理論體系，而這些都需要進(jìn)行大量的研究工作來(lái)解決。

參考文獻(xiàn)

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