基于性能的结构抗震设计与评估

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　　摘要：本文详细阐述了基于性能的抗震设计理论产生的背景、基本概念、主要内容和特点，系统地分析了基于性能的抗震分析和设计方法,并指出了基于性能设计的一些问题。此外,本文提出了一些基于性能设计方法对结构抗震评估的的方法。
　　关键词：基于性能抗震设计抗震性能评估
　　
　　一、 基于性能的抗震设计的提出
　　基于性能的抗震设计（PBSD）是20世纪90年代初由美国学者提出，它是使设计出的结构在未来的地震灾害下能够维持所要求的性能水平。这一设计思想影响了美国、日本和欧洲土木工程界。1996 年美国联邦紧急事务管理局发表的FEMA273和FEMA274报告中包括了PBSD内容。美国加州结构工程师协会Vision 2000也包括了PBSD内容。SEAOC Vision2000 对PBSD 的定义是“性能设计应该是选择一定的设计准则，恰当的结构形式、合理的规划和结构比例，保证建筑物的结构与非结构构件的细部构造设计，控制建造质量和长期维护水平，使得建筑物在遭受一定水准地震作用下，结构的损伤或破坏不超过某一特定的极限状态”。美国应用技术委员会对PBSD的定义为：“基于性能的抗震设计是指结构的设计准则由一系列可以实现的结构性能目标来表示，主要针对钢筋混凝土结构并且建议采用基于能力谱的设计原理”。我国张新培等对PBSD的定义为：“基于性能的结构抗震设计是指根据建筑物的重要性和用途确定其性能目标;根据不同的性能目标提出不同的抗震设防标准,使设计的建筑在未来地震中具备预期的功能”。
　　二、 基于性能设计的主要内容
　　1、 灾害荷载的设防水准
　　PBSD 要能预先控制结构在未来可能发生的地震作用下的抗震性能，而地震设防水准直接关系到未来结构的抗震性能，因此地震设防水准的确定在PBSD 中占有重要地位。灾害荷载的设防水准是指在抗灾设防中，如何根据客观的设防环境和已定的设防目标，并考虑具体的社会经济条件来确定采用多大的设防荷载。或者说，应选择多大强度的灾害作为抗灾设防的对象。
　　美国加州结构工程师协会Vision 2000委员会在关于“基于性能的地震工程”的报告中，采用了四个等级的地震动作为地震设防水准。我国现行抗震规范将地震分为“小震”、“中震”和“大震”3个设防水准，分别用众值烈度、基本烈度和大震烈度来表示。此外，欧进萍等结合我国现行建筑结构设计规范，提出钢筋混凝土结构三水准抗震设计的地震损伤性能目标。
　　2、 性能水准、目标
　　抗灾性能目标是指针对某一灾害荷载设防水准而期望建筑达到的结构性能水准，它是灾害荷载设防水准和结构性能水准的综合反映。所谓结构性能水准,就是结构在特定的某一级地震设防水准下预期损伤的最大程度。结构和非结构构件损伤以及因它们损伤所引起的后果，可用结构损伤程度、结构功能和人员安全来表达。在基于性能的抗灾设计理论中，一个突出的特点就是抗震性能目标的多级性。例如我国建筑结构在地震作用下的震害通常划分为以下五个等级：基本完好、轻微破坏、中等破坏、严重破坏和倒塌；地震设防水准设定为三个水准――小震、中震和大震。美国SESOC将抗震性能目标分为三个：基本性能目标、重要性能目标、安全临界性能目标。抗震性能目标与地震设防水准和结构性能水准的关系称为性能目标矩阵，基本性能目标是一般建筑设防的最低标准。重要性能目标是医院、消防、通讯、学校等重要建筑设防的最低标准。安全临界性能目标是含核原料等特别危险物质的、特别重要的建筑的最低设防标准。
　　3、结构反应参数的确定
　　在基于性能抗震设计中，为了求得在不同水平地震作用下结构的反应性能指标，就需要采用合理的结构模型、恰当的分析方法进行结构受力分析。由于基于性能坑震设计要考虑不同水平地震作用下结构的性能状态，故不仅需要在低水平地震作用下结构的弹性分析，而且更重要的是结构在强烈地震作用下的非线性受力分析。对于弹性结构分析，一般可采用弹性静力或弹性动力分析手段，分析方法也比较成熟。而对于非线性分析，一般采用弹塑性时程分析或者弹塑性静力分析方法。对于弹塑性时程分析，由于计算量大，分析复杂，且在合理选择地震动时程时也有很大困难，故不适于广泛的应用。而对于弹塑性静力分析方法,特别是结构性能指标以结构变形来表示时，弹塑性静力分析可以很方便地确定这些性能指标。因此,弹塑性静力分析方法在国际上被广泛推广使用。在基于性能抗震设计中,为了很好地控制结构在不同水平地震作用下结构反应性能，在分析中也有必要采用三维的弹塑性分析，考虑地基与结构的相互作用、结构扭转以及非结构构件对结构的影响等诸多因素。
　　
　　三、 基于性能的抗震可靠性评估
　　地震灾害对结构造成的破坏可由损伤指数来表达，对此问题各国都有各自的界定标准。欧进萍等综合国内外大量研究成果，将钢筋混凝土框架结构各振害等级描述和损伤指数分为以下几类：基本完好（损伤指数0～0.2）、轻微破坏（0.2～0.4）、中等破坏（0.4～0.6）、严重破坏（0.6～0.9）、倒塌（>0.9）。尽管这种抗震评估较为粗糙，但由于损伤程度对应的损伤指数均有较大范围，由此界定的抗震性能不会产生太大的偏差。基于性能的结构抗震可靠性评估已经有不少方法，例如欧进萍等提出的概率Pushover 分析方法以及李刚等提出的基于投资－效益准则的结构总费用评估等。
　　1、概率pushover分析方法
　　由Pushover 分析可以得到在某种侧向力分布作用下结构体系的抗力曲线，目标谱曲线由规范反应谱确定，将有不同出现概率的确定的抗力曲线和不同保证率的目标谱曲线画在同一坐标系中，就可以得到不同保证率和不同出现概率的结构地震反应和抗震性能。
　　应用概率Pushover 分析方法评估结构的抗震性能时,结构主要失效模式的极限状态方程可表示为：
　　
　　式中RS为结构体系抗震能力; S S为结构体系抗震要求。则结构体系的失效概率可表示为：
　　
　　由该式即可计算结构体系的失效概率。
　　2、 基于投资－效益准则的结构总费用评估方法
　　投资－效益准则作为基于性能的抗震设计的一个基本原则，反映了现代结构抗震设计思想的一个重要转变，即从只注重结构安全，向全面注重结构的性能安全及经济等诸多方面发展。根据投资－效益准则，结构设计应按照结构性能的要求，求出所拥有的资源，寻求合理的设计及加固维修方案，即在结构的可靠与经济之间选择一种合理的平衡，使结构在整个寿命周期内的总费用最小[11]。从经济观点来看，可靠性的目标水准应取决于失效后果和安全措施费用之间的平衡。正规的做法是，要努力降低下式给出的寿命周期总费用，即：
　　
　　式中，Cb、Cm、Cf分别为房屋成本、维护和拆除的预期费用、失效费用，Pf为寿命周期的失效概率，总和包括了全部失效模式。
　　
　　四、 结语
　　可以说，PBSD是二十一世纪世界抗震设计规范的大潮流，运用PBSD 时，设计中的不确定性减少了，建筑结构行为有了明确的表述，而设计复杂性却大大增加了。目前基于性能抗震设计还处于初级研究阶段，为了实现多级抗震进而使得结构在整个生命周期内费用达到最小，还有很多工作要做，如合理的目标性能水平的划分与确定、不确定因素的合理考虑、更加细致的结构非线性分析、结构自身抗震性能的确定、合理的设计与评估方法等一系列问题还要具体深入地研究。只有这些基本问题解决了，才能很好做到基于性能的抗震设计。

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