基于性能的抗震设计理论探讨

来源:用户上传      作者: 曹正国　周克荣

　　摘 要：现行抗震设计思想无法满足社会对结构抗震性能的多种需求，为了克服这些不足，基于性能的抗震设计方法引起世界个国的广泛关注与研究，被认为是未来抗震设计的主要指导思想。本文着重介绍了结构抗震性能水准的划分、抗震性能目标的确定以及目前对基于性能的抗震设计方法的研究，展示了基于性能抗震设计的基本过程，并介绍了可靠度理论在基于性能抗震设计中的应用。在此基础上，本文提出了基于性能抗震设计目前存在的急需解决的问题及进一步的发展趋势。
　　
　　关键词：基于性能的抗震设计性能水准性能目标可靠度
　　
　　中图分类号:TU352.1+1
　　文献标识码:B
　　文章编号:1008-0422（2006）01-0093-02
　　
　　 近些年来，随着大量的震害分析和实践经验的积累，人们对工程抗震的认识不断深入。
　　 基于性能的抗震设计方法是近年来提出的并备受关注的一种新的抗震设计思想。本文对这种新的抗震设计理论作了简要评述。
　　
　　 1现行抗震设计方法的不足和基于性能的抗震理论的提出
　　 目前，各国的抗震设计规范大多采用“小震不坏，中震可修和大震不倒”的三水准抗震设防准则，我国现行抗震规范也是如此。我国是采用二阶段抗震设计方法来实现三水准的抗震设防要求的。这二阶段设计方法是：第一阶段进行强度验算，即取第一水准烈度的地震动（小震）参数，采用弹性反应谱计算结构的弹性地震作用及效应，并与其它荷载效应进行组合，对结构进行抗震承载力和弹性变形验算，以保证必要的强度和变形要求；第二阶段进行弹塑性验算，即对特别重要的建筑和地震时易倒塌的结构，按第三水准烈度的地震动（罕遇地震）参数进行薄弱层的弹塑性变形验算，并采取相应的构造措施以满足"大震不倒"的设防要求。虽然规定了三水准的设防准则，但由于规定过于模糊，实际设计中很难控制。实际上，三水准抗震设计思想还是以保障生命安全为设计目标的。这样在地震作用下，虽然可以有效防止结构的倒塌，能够基本保证生命安全，但其它的破坏没有得到有效的控制，其财产损失往往超过了社会和业主所能承受的范围。
　　 现行抗震设计方法无法满足社会和公众对结构抗震性能的多种需求，在此背景下，美国学者于九十年代初首先提出了基于性能的抗震设计，立即引起世界各国工程界的广泛关注和研究。1995年，美国加州工程师协会VISION2000委员会提出了发展能够满足多种结构性能目标的、指导结构抗震性能的框架；1996年，美国联邦紧急救援署（FEMA）提出了既有建筑评定、加固中使用多重性能目标的建议，并在1998年和2000年，又发布了几个关于基于性能的抗震设计文件。日本也开始将抗震性能设计的思想正式列入设计和加固标准中，并由建筑研究所（BRI）提出了一个性能标准。此外，欧洲、澳大利亚等也做了不少这方面的研究工作。
　　 基于性能的抗震设计的特点是：使抗震设计从宏观定性的目标向具体量化的多重目标过渡，将抗震设计由以保障人们生命安全为基本目标转化为不同风险水平地震作用下满足不同的性能目标，从而通过多目标、多层次的抗震安全设计来最大限度保障人民生命财产安全，满足业主所需的结构性能目标。
　　
　　 2基于性能的结构抗震设计的性能水准
　　 结构性能水准就是指与每一级地震设防水准相对应的结构最大破坏程度。主要用于对结构易损性、结构功能性和建筑物内人员安全情况进行描述。我国目前使用的三水准：小震不坏、中震可修和大震不倒，缺乏具体明确的量化，很难在实际设计中得到保证。在基于性能结构抗震设计中，性能水准要综合考虑社会的经济水平、建筑物的重要性以及建筑物的造价、保养、维修及地震作用下可能遭受的直接间接损失来优化确定，由此划分的性能水准要更具体细致。
　　 美国联邦紧急救援署（FEMA）将基于性能的结构抗震划分为四个性能水准：水准1：基本完好，即无永久侧移，结构基本保持原有的强度和刚度，结构构件以及非结构构件基本不损坏，所有重要设备仍能正常工作；水准2：轻微破坏，即无永久侧移，结构基本保持原有的强度和刚度，结构构件和非结构构件有轻微破坏，电梯能够启动，防火措施得力；水准3：生命安全，有永久侧移，所有楼层都有残留强度和刚度，承受重力荷载的构件仍起作用，不发生墙体平面外失效或女儿墙倒塌，隔墙破坏，建筑修复费用可能很高；水准4：不倒塌，即有大的永久侧移，几乎没有残留刚度和强度，但承受荷载的柱子和墙体仍起作用，一些出口被堵，内隔墙和无支撑的女儿墙已经或开始失效，建筑即将倒塌。
　　
　　 3抗震性能目标
　　 抗震性能目标，是指针对某一个地震设防等级而期望结构达到的结构性能水准。性能目标的选择是非常重要的，它为整个设计和建造过程设定了必须遵守的标准。美国学者建议把具有不同使用要求的建筑物分为三类：基本设防目标、重要/防危设防目标和特别设防目标，并提供了三类结构抗震性能目标作为它们的最低性能界限。根据四个性能水准的划分，结构的性能目标如表1所示：
　　
　　 4基于性能的抗震设计方法研究
　　 基于性能的抗震设计方法主要有：基于位移的设计方法、能量设计法、综合设计法等。
　　 4.1 基于位移的设计方法
　　 该方法用位移作为整个抗震设计过程的起点，假定位移是结构抗震性能的控制因素。这种方法是性能设计理论中较理想的一种方法。基于位移的抗震设计大致可分为按延性系数设计的方法、能力谱方法和直接基于位移的方法。
　　 （1） 按延性系数设计的方法
　　 延性通常包括结构延性、构件延性和截面延性三个层次。对于一个给定结构，截面的延性系数大于构件的延性系数，构件的延性系数大于结构的延性系数，两者的关系与结构的塑性铰机制有关。按延性系数设计方法的实质，是通过建立构件的位移延性系数或截面曲率延性系数与塑性铰区混凝土极限压应变的关系，由约束箍筋来保证核心混凝土能够达到所要求的极限压应变，从而使构件具有要求的延性系数。
　　 用位移延性系数描述构件的弹塑性变形能力的最大问题是如何定义结构或构件的屈服位移和极限位移，不同的定义得到的延性系数可能差别很大。
　　 （2） 能力谱法
　　 能力谱法最早是由Freeman等提出来的，其实质是目前采用的基于力的设计方法加位移变形的校核，虽然方法本身的可靠性有待于实验验证和改进，但比基于力的设计方法合理。该方法首先通过静力弹塑性分析（pushover analysis）计算基底剪力Vb-顶点位移μn曲线，然后将Vb-μn曲线转换为谱加速度Sa-谱位移Sd曲线：
　　
　　 然后确定结构的等效阻尼比，最后检验结构的抗震能力。
　　 （3） 直接基于位移的方法
　　 直接基于位移的抗震设计根据在一定水准地震作用下预期的位移计算地震作用，进行结构设计，以使构件达到预期的变形，结构达到预期的位移。用这种方法确定目标位移和将多自由度体系等效为单自由度体系的前提是结构中可能形成塑性铰的部位同时达到屈服，这在实际结构中是难以实现的。

　　 4.2 能量设计法
　　 该方法的基本假设是：结构的破坏是由于地震输入的总能量，结构及内部设施的破坏程度是由地震输入的能量和结构消耗的能量共同决定的 。通过控制结构或构件的耗能能力，达到控制整个结构抗震性能的目的。能量设计法的优点是能够直接估计结构的潜在破坏程度，证明设置耗能元件可以提高结构的抗震性能。其缺点在于结构滞回耗能的计算很大程度上取决于构件单元恢复力模型的选取，不确定因素较多。
　　 4.3 综合设计法
　　 其基本思想是：使建筑物在达到基本性能目标的前提下，总投资最少。综合设计法全面考虑抗震设计中的重要因素，最大程度的体现基于性能的抗震设计思想，从而能够提供最优的设计方案。缺点是考虑因素多，涉及面广，设计过程复杂繁琐。
　　
　　 5可靠度理论在基于性能抗震设计中的应用
　　 由于地震动及结构参数存在的随机性，使得结构的性能在地震作用下会有很大的不确定性。将可靠度理论应用到性能抗震设计中，来研究建筑在地震作用下达到预期功能的可能性的大小，是一种很好的解决方法。笔者仅以变形失效为例，介绍可靠度理论在基于性能抗震设计中的应用。其设计准则为：
　　
　　 式中，Pr是指结构在地震作用下的失效概率；Pr目标是指与结构性能水准相应的结构失效概率限值；Δ和Δu分别为结构产生的变形和由性能水准确定的结构变形极限；β为地震作用下结构的可靠指标；β目标是指与结构性能水准相应的结构可靠指标限值。
　　 目前抗震设计的可靠度分析中主要考虑的不确定因素有结构反应的不确定性、结构本身抗力的不确定性和计算模式的不确定性。但是，还有其它一些影响结构抗震性能的不确定因素，如人为影响的不确定性等 ，要综合考虑这些不确定因素，还需要更加全面深入的研究。
　　
　　 6结语
　　 基于性能的抗震设计，是结构抗震设计方法的一种发展趋势，在国际上得到广泛的认可。
　　 它赋予了社会、业主自由选择结构性能的权利，使设计的结构更直接地满足不同使用者的要求，为工程师创造了展示才华的设计舞台。
　　 但是，由于这方面的研究才刚刚起步，还存在着许多的问题急需解决，如合理的性能水准和性能目标的划分、可靠度理论中不确定因素的考虑、计算模型及参数的准确性、精确的结构弹塑性分析等都需要更加深入的研究。相信在不远的将来，基于性能的抗震设计将会进入全面应用阶段。
　　
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