基于性能的抗震設(shè)計(jì)研究現(xiàn)狀與發(fā)展

邊 江 王建寧

（1、重慶大學(xué)土木工程學(xué)院，重慶 400045 2、陜西省建筑設(shè)計(jì)研究院，陜西 西安 710003）

1 前言

隨著現(xiàn)代社會(huì)經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，城市的規(guī)模不斷擴(kuò)大，現(xiàn)代化進(jìn)程加快，但是由于地震的不可預(yù)測(cè)性和抗震設(shè)計(jì)的局限性，由地震給人類(lèi)帶來(lái)的生命和財(cái)產(chǎn)損失也越來(lái)越嚴(yán)重。如1993年印度得干高原凱拉里鎮(zhèn)發(fā)生M6.4級(jí)地震,使地震區(qū)內(nèi)10個(gè)鄉(xiāng)村變?yōu)閺U墟，死亡和失蹤者近3萬(wàn)人，1996年2月3日在中國(guó)云南麗江，中緬交界處發(fā)生M7.0級(jí)地震，死亡286人，直接經(jīng)濟(jì)損失5.2億美元，1997年5月10日伊朗呼羅珊省發(fā)生M7.3級(jí)地震，死亡1567人，2300人受傷，經(jīng)濟(jì)損失約5億美元，由此可見(jiàn)，地震給人類(lèi)帶來(lái)的危害是十分巨大的，所以控制震害的破壞程度和范圍就要引起我們抗震設(shè)計(jì)足夠的重視。

2 結(jié)構(gòu)抗震理論的發(fā)展階段與存在的問(wèn)題

靜力理論階段：最初，在未考慮結(jié)構(gòu)彈性動(dòng)力特征的情況下，也無(wú)詳細(xì)的地震作用記錄統(tǒng)計(jì)資料的條件下，人們認(rèn)為，結(jié)構(gòu)物所受的地震作用可以等效于在其上施加一個(gè)水平作用，其大小與結(jié)構(gòu)的特性無(wú)關(guān)，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)取自重的0.1倍。

反應(yīng)譜理論階段：1940年美國(guó)的Biot教授提出了彈性反應(yīng)譜的概念，反應(yīng)譜是單自由彈性體系在獲取的眾多地震記錄的激勵(lì)下，結(jié)構(gòu)周期與響應(yīng)之間的關(guān)系，包括加速度反應(yīng)譜、速度反應(yīng)譜、位移反應(yīng)譜。

動(dòng)力理論階段：隨著對(duì)地震動(dòng)認(rèn)識(shí)和理解的不斷加深，認(rèn)識(shí)到反應(yīng)譜的一些不足，如對(duì)地震動(dòng)持時(shí)的影響考慮不周，再加上計(jì)算機(jī)性能的提高，使得動(dòng)力法逐漸發(fā)展起來(lái)了，它的本質(zhì)直接求解動(dòng)力方程，但是由于地震時(shí)地面運(yùn)動(dòng)加速度極不規(guī)則，對(duì)于微分方程無(wú)法求出它的閉合解，因此多采用數(shù)值積分法。

3 基于性能的抗震設(shè)計(jì)理論的提出和研究

上世紀(jì)九十年代的幾次地震災(zāi)害發(fā)生后，許多地震工程學(xué)者意識(shí)到再單純強(qiáng)調(diào)在地震作用下結(jié)構(gòu)不嚴(yán)重破壞和不倒塌，已不是一種完善的抗震思想，不能適應(yīng)現(xiàn)代工程結(jié)構(gòu)抗震需求，結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)應(yīng)系統(tǒng)考慮地震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)、結(jié)構(gòu)的抗震性能和經(jīng)濟(jì)性能。因此,20世紀(jì)90年代初期美國(guó)的一些科學(xué)家和工程師首先提出了基于結(jié)構(gòu)性能（PBSD)的抗震設(shè)計(jì)理論。基于性能的抗震設(shè)計(jì)是從宏觀定性的目標(biāo)向具體量化的多重目標(biāo)過(guò)渡，它根據(jù)建筑物的用途，特性的不同和業(yè)主的一定要求確定其性能目標(biāo)，從而提出不同的抗震設(shè)防水準(zhǔn)，使建筑物在未來(lái)的不同抗震等級(jí)地震作用下達(dá)到預(yù)期的抗震目標(biāo)。在業(yè)主和設(shè)計(jì)人員的共同參與下，通過(guò)多目標(biāo)，多層次的抗震安全設(shè)計(jì)，使得結(jié)構(gòu)在未來(lái)的地震中遭受的損失是社會(huì)和業(yè)主所能承受的。

4 抗震性能水準(zhǔn)的確定

結(jié)構(gòu)性能水準(zhǔn)的確定以及地震災(zāi)害的定義屬于基于性能的抗震設(shè)計(jì)中的一個(gè)基本問(wèn)題。 抗震性能水準(zhǔn)的定義有多種方式，但是基本內(nèi)容都差不多，即指一種對(duì)于每一級(jí)設(shè)防水準(zhǔn)的設(shè)計(jì)地震所需要的結(jié)構(gòu)性能水準(zhǔn)。主要用于對(duì)結(jié)構(gòu)易損性、結(jié)構(gòu)功能性和建筑物內(nèi)人員安全情況進(jìn)行描述。我國(guó)目前使用的三水準(zhǔn)：小震不壞，中震可修，大震不倒。

5 抗震性能目標(biāo)的確定

抗震設(shè)防目標(biāo)指的是針對(duì)某一地震設(shè)防等級(jí)而期望結(jié)構(gòu)達(dá)到的結(jié)構(gòu)性能水準(zhǔn)。在選擇性能目標(biāo)時(shí)，我們要綜合考慮許多因素如：場(chǎng)地特征、結(jié)構(gòu)功能與重要性、投資與效益、震后損失與恢復(fù)重建、潛在的歷史與文化價(jià)值、社會(huì)效益及業(yè)主的承受能力等。從設(shè)計(jì)到施工的整個(gè)過(guò)程都必須遵守相應(yīng)的規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)。美國(guó)學(xué)者建議將結(jié)構(gòu)抗震性能目標(biāo)分為3個(gè)等級(jí)，即基本設(shè)防目標(biāo)、重要設(shè)防目標(biāo)、特別設(shè)防目標(biāo)。

6 基于性能的抗震設(shè)計(jì)方法研究

基于性能的抗震設(shè)計(jì)概念（Performance-Based Seismic Design,PBSD）由美國(guó)加州大學(xué)伯克利分校J.P.Moehle率先提出。他提出基于位移的抗震設(shè)計(jì)要求進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析，使結(jié)構(gòu)的塑性變形能力滿足在預(yù)定的地震作用下的變形要求，即控制結(jié)構(gòu)在大震作用下層間位移角限值。但是怎么把基于性能的抗震設(shè)計(jì)思想合理并且簡(jiǎn)單有效的運(yùn)用到實(shí)際的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，目前還沒(méi)有找到統(tǒng)一的方法?，F(xiàn)在，基于性能的抗震設(shè)計(jì)方法大致分為三類(lèi)：直接基于位移的抗震設(shè)計(jì)方法、能量設(shè)計(jì)方法。

6.1 直接基于位移的抗震設(shè)計(jì)方法

直接基于位移的抗震設(shè)計(jì)根據(jù)在一定水準(zhǔn)地震作用下預(yù)期的位移計(jì)算地震作用，進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，以使構(gòu)件達(dá)到預(yù)期的變形，結(jié)構(gòu)達(dá)到預(yù)期的位移。該方法采用結(jié)構(gòu)位移作為結(jié)構(gòu)性能指標(biāo)，與傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法相比，基于位移的抗震設(shè)計(jì)方法從根本上改變了設(shè)計(jì)過(guò)程。主要不同的是，該方法用位移作為整個(gè)抗震設(shè)計(jì)過(guò)程的起點(diǎn)，假定位移或?qū)娱g位移是結(jié)構(gòu)抗震性能控制因素。設(shè)計(jì)時(shí)用位移控制，通過(guò)設(shè)計(jì)位移譜得出在此位移時(shí)的結(jié)構(gòu)有效周期，求出此時(shí)結(jié)構(gòu)的基底剪力，進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析，并且進(jìn)行具體配筋設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)后用應(yīng)力驗(yàn)算，不足的時(shí)候用增大剛度而不是強(qiáng)度的方法來(lái)飛改進(jìn)，以位移目標(biāo)為基準(zhǔn)來(lái)配置結(jié)構(gòu)構(gòu)件。該法考慮了位移在抗震性能中的重要地位，可以在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)初始就明確設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)性能水平，并且使設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)性能正好達(dá)到目標(biāo)性能水平，是性能設(shè)計(jì)理論中很有前途的一種方法。但運(yùn)用多自由度體系、多種結(jié)構(gòu)類(lèi)型等時(shí)，還需要做更多研究。

6.2 能量法

能量設(shè)計(jì)法的基本思想：假設(shè)結(jié)構(gòu)破壞的原因是地震輸入的總能量，結(jié)構(gòu)物及其內(nèi)部設(shè)施的破壞是由其輸入的能量與結(jié)構(gòu)物所消耗的能量共同決定的。通過(guò)控制結(jié)構(gòu)的耗能能力，達(dá)到控制整個(gè)結(jié)構(gòu)抗震性能的目的。能量設(shè)計(jì)法的優(yōu)點(diǎn)在于能夠直接估計(jì)結(jié)構(gòu)的潛在破壞程度，可以很好的證明結(jié)構(gòu)耗能構(gòu)件對(duì)結(jié)構(gòu)抗震性能所起的作用。另外，耗能構(gòu)件的設(shè)置可以更好的控制損失，缺點(diǎn)在于運(yùn)用方法不夠簡(jiǎn)化，不確定因素較多。

7 結(jié)語(yǔ)

基于性能的抗震設(shè)計(jì)，是結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)方法的一種發(fā)展趨勢(shì)，在國(guó)際上得到廣泛的認(rèn)可。業(yè)主可以自由的選擇結(jié)構(gòu)的性能，使設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)更直接的滿足不同使用者的要求，為設(shè)計(jì)人員提供了靈活的設(shè)計(jì)空間。但是由于這方面的研究才剛剛起步，還存在著許多需要解決的問(wèn)題，如抗震性能水準(zhǔn)和性能指標(biāo)量化的確定、可靠度理論中不確定因素的考慮，計(jì)算模型和設(shè)置參數(shù)的準(zhǔn)確性、精確的結(jié)構(gòu)彈塑性分析等都需要更加深入的研究，相信在不久的將來(lái)，基于性能的抗震設(shè)計(jì)將會(huì)得到廣泛的運(yùn)用。

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