基于性能的抗震設(shè)計(jì)理論研究評(píng)述

馮 玲 栗軒輝

(1.西北電力設(shè)計(jì)院，陜西 西安710075；2.西安交通大學(xué) 陜西 西安710049）

隨著科學(xué)發(fā)展，結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)理論得到了迅速發(fā)展。從1920 年日本學(xué)者大森房吉提出的抗震設(shè)計(jì)靜力法，1940 年美國(guó)Biot 教授提出的彈性反應(yīng)譜理論，發(fā)展到近一、二十年出現(xiàn)的動(dòng)態(tài)時(shí)程分析法，共經(jīng)歷了三個(gè)主要階段。 20 世紀(jì)70 年代以來(lái)，隨著人們對(duì)地震不確定性的深入認(rèn)識(shí)，多級(jí)抗震設(shè)防的思想逐步得到地震工程界的認(rèn)同，并提出基于性能的抗震設(shè)計(jì)理論。

1 基于結(jié)構(gòu)性能抗震理論的發(fā)展概況

基于性能的抗震設(shè)計(jì)是基于性能的地震工程的一部分內(nèi)容?；谛阅艿目拐鸸こ汤砟羁梢宰匪莸降卣鸸こ虒W(xué)的開始[1]。 20 世紀(jì)六十年代，美國(guó)加利福尼亞結(jié)構(gòu)工程師協(xié)會(huì)和波特蘭水泥協(xié)會(huì)對(duì)基于性能的抗震工程提出了新的觀點(diǎn)。

1964 年美國(guó)的Alaskan 地震和1971 年的San Fernando 地震，使美國(guó)的抗震規(guī)范進(jìn)行了修訂以加強(qiáng)建筑物在遭受地震作用時(shí)的安全性。 對(duì)規(guī)范進(jìn)行大量修訂是在1984 年的Loma Prieta 地震和1994 年的Northridge 地震后。 七十年代中期，美國(guó)國(guó)家自然科學(xué)基金會(huì)和國(guó)家設(shè)防水平局資助進(jìn)行了新的抗震設(shè)計(jì)方法的研究。 到了八十年代，美國(guó)的海陸空三軍總部出臺(tái)了一個(gè)關(guān)于重要建筑的抗震設(shè)計(jì)手冊(cè)[3]，手冊(cè)里提出了一些和現(xiàn)在的基于結(jié)構(gòu)性能的抗震設(shè)計(jì)理論非常相近的理論。 這些抗震設(shè)計(jì)理論和1996 年出臺(tái)的升級(jí)版本可以看作是現(xiàn)在的基于結(jié)構(gòu)性能的抗震設(shè)計(jì)理論的雛形。 1995 年，美國(guó)加利福尼亞結(jié)構(gòu)工程師學(xué)會(huì)的Vision 2000 委員會(huì)提出了基于性能的抗震設(shè)計(jì)思想， 并建立了新的結(jié)構(gòu)性能設(shè)計(jì)體系的框架。 此后， 美國(guó)和日本自1999 年起每年進(jìn)行專題討論，就基于性能的抗震設(shè)計(jì)理論框架、性能水準(zhǔn)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和分析方法等內(nèi)容進(jìn)行學(xué)術(shù)交流。 從而使得這種新的設(shè)計(jì)思路及圍繞這一思路所需解決的一系列問題成為目前抗震工程及抗震設(shè)計(jì)研究的中心課題之一。

2 基于結(jié)構(gòu)性能抗震設(shè)計(jì)理論

2.1 基于結(jié)構(gòu)性能抗震設(shè)計(jì)理論的研究?jī)?nèi)容

基于結(jié)構(gòu)性能的抗震設(shè)計(jì)理論是以結(jié)構(gòu)抗震性能分析為基礎(chǔ)，根據(jù)設(shè)防水準(zhǔn)的不同，將結(jié)構(gòu)的抗震性能劃分為不同的等級(jí)。 除了抗震設(shè)計(jì)方法，基于性能的抗震設(shè)計(jì)理論還包括目標(biāo)性能的確定，主要包括以下三個(gè)方面：

2.1.1 地震設(shè)防水準(zhǔn)

在設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期內(nèi)， 定義一組參照的地震風(fēng)險(xiǎn)和相應(yīng)的設(shè)計(jì)水平，是基于性能設(shè)計(jì)理論的一個(gè)重要目標(biāo)。 文獻(xiàn)[3]認(rèn)為基于性能的設(shè)計(jì)理論應(yīng)追求能控制結(jié)構(gòu)可能發(fā)生的所有地震波譜的破壞水準(zhǔn)， 為此，需要根據(jù)不同重現(xiàn)期選擇所有可能發(fā)生的對(duì)應(yīng)于不同等級(jí)的地震動(dòng)參數(shù)的波譜， 這些具體的地震動(dòng)參數(shù)稱為地震設(shè)防水準(zhǔn)， 分為常遇、偶遇、罕遇和稀遇地震，并給出了其重現(xiàn)期和超越概率。

2.1.2 結(jié)構(gòu)的性能水平及其量化指標(biāo)

結(jié)構(gòu)的抗震性能水平表示結(jié)構(gòu)在特定的某一地震水準(zhǔn)下一種有限程度的破壞，主要用結(jié)構(gòu)易損性、結(jié)構(gòu)功能性和人員安全性來(lái)表達(dá)。文獻(xiàn)[4]提出按照不同的地震動(dòng)水平將結(jié)構(gòu)的性能水準(zhǔn)分為四級(jí)，即功能完好、功能連續(xù)、控制破壞與損失、保證安全。文獻(xiàn)[5]提出了簡(jiǎn)化的三級(jí)性能水準(zhǔn)，即可繼續(xù)使用、修復(fù)后可再使用、保證安全。

2.1.3 抗震設(shè)計(jì)的目標(biāo)性能

結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)的目標(biāo)性能是針對(duì)某一地震設(shè)防水準(zhǔn)而期望達(dá)到的抗震性能等級(jí)。我國(guó)抗震規(guī)范的目標(biāo)性能實(shí)際是：小震不壞，中震可修，大震不倒。

2.2 基于性能的抗震設(shè)計(jì)方法

基于性能的抗震設(shè)計(jì)主要有以下三種方法。

2.2.1 位移影響系數(shù)法位移影響系數(shù)法的基本原理：認(rèn)為非線性SDOF 體系的最大位移等于具有相同阻尼和剛度的彈性SDOF 體系的最大位移乘以一個(gè)和強(qiáng)度折減系數(shù)R、周期Te等有關(guān)的位移修正系數(shù)：

式中：Δi，δe分別為非線性和線性體系的最大位移；CR＝C0C1C2C3為位移修正系數(shù)；C0為反映等效單自由度體系（SDOF）位移與建筑物頂點(diǎn)位移關(guān)系的修正系數(shù)；C1為利用彈性位移估計(jì)彈塑性位移的修正系數(shù)；C2為反映滯回環(huán)形狀對(duì)最大位移反應(yīng)影響的調(diào)整系數(shù)；C3為反應(yīng)效應(yīng)對(duì)位移影響的修正系數(shù)；Sa為SDOF 體系的等效自振周期和阻尼比對(duì)應(yīng)譜加速度反應(yīng)；Te為結(jié)構(gòu)等效自振周期。

2.2.2 直接基于位移的方法

國(guó)內(nèi)外學(xué)者提出了適用于不同類型結(jié)構(gòu)的基于位移的抗震設(shè)計(jì)方法。

基于位移的計(jì)算方法需要對(duì)結(jié)構(gòu)的期望位移最大值進(jìn)行計(jì)算，然后進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)， 使結(jié)構(gòu)和構(gòu)件的變形能力超過(guò)期望位移最大計(jì)算值。

基于位移限值的迭代計(jì)算方法與基于位移的計(jì)算方法相似，不同的是結(jié)構(gòu)的位移限值是給定的，進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，需對(duì)結(jié)構(gòu)體系進(jìn)行反復(fù)修改，直到計(jì)算分析的位移值小于位移限值，整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程需要迭代計(jì)算。

直接基于某一限值位移的方法是從某一給定的目標(biāo)位移出發(fā)開始結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，并得到結(jié)構(gòu)的需求強(qiáng)度、剛度等，最后得到滿足某一設(shè)計(jì)地震水平的目標(biāo)位移。

2.2.3 能力譜方法[6]和改進(jìn)的能力譜方法

能力譜法的一個(gè)顯著特點(diǎn)是：使用線性等效的方法。 該方法對(duì)結(jié)構(gòu)在地震作用下的“需”與“供”較為明確，有助于結(jié)構(gòu)性能目標(biāo)的選取。

3 目前基于結(jié)構(gòu)性能抗震設(shè)計(jì)方法需要解決的問題

3.1 抗震設(shè)防水準(zhǔn)的完善

目前世界各國(guó)各種規(guī)范文件對(duì)抗震設(shè)防水準(zhǔn)的規(guī)定，有的用四種地震風(fēng)險(xiǎn)水平，有的用三種。對(duì)于多遇地震我國(guó)的地震設(shè)防水準(zhǔn)偏低，就會(huì)導(dǎo)致在第一階段抗震設(shè)計(jì)時(shí)，設(shè)計(jì)強(qiáng)度和彈性變形偏小，而對(duì)于常遇地震和罕遇地震則與美國(guó)規(guī)范持平。 因此，結(jié)合我國(guó)的經(jīng)濟(jì)水平及地震區(qū)域的分布特點(diǎn)，提出更完善的抗震設(shè)防水準(zhǔn)是當(dāng)前地震工作者的一項(xiàng)重要任務(wù)。

3.2 結(jié)構(gòu)抗震性能指標(biāo)的量化與細(xì)化及多重指標(biāo)的研究

目前對(duì)于基于性能的抗震設(shè)計(jì)，主要還是采用基于位移或變形的設(shè)計(jì)方法。 由此產(chǎn)生三個(gè)問題：一是如何將業(yè)主對(duì)結(jié)構(gòu)的抗震性能要求量化為具體的變形指標(biāo)；二是控制指標(biāo)的細(xì)化問題；三是多重指標(biāo)的使用，有的學(xué)者[7]認(rèn)為僅僅采用變形作為結(jié)構(gòu)抗震性能的控制指標(biāo)是不夠的，應(yīng)該使用兩個(gè)或多個(gè)性能參數(shù)。

3.3 抗震設(shè)計(jì)方法的進(jìn)一步改進(jìn)

位移影響系數(shù)法只是一種衡量結(jié)構(gòu)整體抗震水平的評(píng)估方法，無(wú)法提供具體樓層和主要構(gòu)件的損壞情況。 另外，該方法需要確定的系數(shù)較多，每一個(gè)系數(shù)取值的變化都會(huì)對(duì)結(jié)果產(chǎn)生較大的影響，使計(jì)算結(jié)果與結(jié)構(gòu)的實(shí)際最大非線性位移會(huì)產(chǎn)生較大的誤差。

直接基于位移的方法采用的是替代結(jié)構(gòu)，由于替換結(jié)構(gòu)的剛度是對(duì)應(yīng)于最大位移時(shí)的割線剛度（或初始剛度），其周期一般比彈性結(jié)構(gòu)的周期長(zhǎng)（或小）許多。近年來(lái)的研究表明，近場(chǎng)強(qiáng)震效應(yīng)、結(jié)構(gòu)構(gòu)件的滯回特性等對(duì)結(jié)構(gòu)位移反應(yīng)譜具有較大的影響。

在能力譜方法中，需要將原型多自由度結(jié)構(gòu)體系轉(zhuǎn)化為等效單自由度體系，這對(duì)于多高層結(jié)構(gòu)體系來(lái)說(shuō)，將產(chǎn)生比較大的誤差；通常的能力譜方法都只適用于規(guī)則結(jié)構(gòu)，對(duì)于抗側(cè)剛度沿結(jié)構(gòu)高度方向分布不均勻的結(jié)構(gòu)體系或樓層平面內(nèi)扭轉(zhuǎn)反應(yīng)比較明顯的結(jié)構(gòu)體系，該方法是否適用需要進(jìn)一步研究。

4 結(jié)論

本文通過(guò)回顧基于性能的抗震設(shè)計(jì)理論的提出背景和發(fā)展歷史，總結(jié)了基于性能的抗震設(shè)計(jì)理論研究?jī)?nèi)容和設(shè)計(jì)方法，提出了目前基于性能的抗震設(shè)計(jì)理論研究中存在的主要問題，為今后進(jìn)一步研究指明了方向。

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