浅谈基于性能的结构抗震设计思想的发展现状

摘要：本文总结了结构抗震设计的发展，简述了基于性能的抗震设计研究及对应基本理论的结构设计方法，并提出了基于性能的抗震设计存在的问题。

关键词：抗震设计；性能设计

中图分类号：V552+.4 文献标识码：A

1 结构抗震设计发展历程

随着人们对于地震动和结构动力特性理解的深入，结构抗震理论从最初的静力理论阶段、反应谱理论阶段，发展到动力理论阶段和目前的基于性能的抗震设计理论阶段。图１表述了结构抗震设计的发展历程。

2 基于性能的结构抗震设计概述

目前对基于性能的抗震设计（Performance-Based Seismic Design，简称PBSD）还没有严格的定义，比较有权威性的解释是美国加州结构工程师学会（SEAOC）、美国应用技术局（ATC）和美国联邦紧急救援署（FEMA）等组织给出的基于性能设计的描述。综合上述研究机构的描述，国内学者给出的基于性能的抗震设计的概念是指从项目的提出开始，直到建筑寿命结束的全过程，它包括地震危险性分析、性能水准和性能目标的选择、场地适应性决策、概念设计、初步设计、最终设计、设计可行性检查、设计重复检查、施工质量保证和建筑物寿命期内的维护，每一步都是性能工程的关键，必须达到与选择的性能目标相适应的水平，其中最重要的组成部分是结构设计。

3 基于性能的抗震设计的研究内容

基于性能的抗震设计的主要研究内容主要集中在两大方面，一方面为基于性能的抗震设计理论框架的建立，另一方面为如何给出一套适用的以性能抗震设计为理论指导的结构设计方法。

基于性能的抗震设计的理论基础为地震设防水准的界定。目前我国的抗震设防水准为："三水准的设防目标"[1]，这种设计水准可视为与结构的极限状态和地震重现期相对应，即：正常使用极限状态（小震）、破坏控制极限状态（中震） 和承载能力极限状态（大震）。而基于性能的抗震设计把地震的设防水准按照不同的地震动水平定义了完全可靠、可靠、生命安全、不倒塌四个水准。地震设防水准直接关乎结构的抗震能力，它的确定在基于性能抗震设计理论中占有相当重要的地位。Vision 2000 报告中建议的设防地震等级见表1。

基于性能的抗震设计的理论的另一个重要问题就是结构抗震性能指标的量化与细化及多重指标的研究。目前对于基于性能的抗震设计, 主要还是采用基于位移或变形的设计方法。性能参数主要有：变形，如应变、截面曲率；位移，如构件端部的转动，层间位移、顶点位移；力，如基底剪力、层剪力；能量等。

4 基于性态的抗震设计方法

检验结构的抗震能力是否超过结构的抗震要求，必须对结构进行抗震计算。结构的计算分析方法基本可分为两类：弹性方法和弹塑性方法。按对地震作用的不同处理方式，又可分为动力( 时程) 分析和等效静力分析。基于结构性能的抗震设计方法包括基于力、基于位移和基于能量的设计方法。较典型的方法有能力谱法和位移影响系数法。

4.1 能力谱法

能力谱方法也是一种以Pushover 分析为基础的简化分析方法。这种方法通过结构的能力谱和地震需求谱来直接估计结构的弹塑性反应。这里的需求谱是由单自由度体系在有效阻尼下拟加速度反应谱转换得来的, 能力谱曲线则是指由Pushover 分析得到的结构基底剪力一顶点位移关系曲线转换得到的等价单自由度体系的谱加速度一谱位移关系曲线。

4.2 位移影响系数法

位移影响系数法, 是另一种计算弹塑性体系地震作用下位移需求的简化方法。在这种方法中, 弹塑性体系的顶点位移可以由下式求得:

其中, C0为联系等价单自由度体系谱位移与多自由度体系顶点最大弹塑性位移的系数。C0的取值可以用第一振型参与系数与顶点处振型值的乘积 。

C1为利用弹性位移估计弹塑性位移的修正系数。

C2为关于刚度及强度退化性能的修正系数。

5 基于性能的结构抗震设计存在的问题

目前，基于性态抗震设计理论处于动态研究之中，其研究范围不断扩展，内容也相继增加，现阶段该设计思想还存在以下问题

(1) 地震设防水准时如何进一步考虑建筑场地特征和近震的影响；震后恢复重建所需的时间或费用与地震设防水准之间的定量关系。

(2) 位移和损伤之间的定量关系与多级损伤量化指标有待于进一步研究；需建立结构使用功能丧失和损伤之间的定量关系；建筑内部设备性能也需利用损伤指标加以定量化。

(3) 为了PBSD的实现，结构性能水准的定义与级数、相应的结构损伤状态和结构设计准则都需要统一；需发展适合于多级地震设防水准下多级性能水准的效率高而有效的一般设计方法。

(4) 对长周期结构进行静力弹塑性分析时，侧向荷载分布模式的确定需考虑高阶振型的影响，因此发展基于多自由度的静力弹塑性分析方法很有应用价值；需研究设置结构控制装置的静力弹塑性分析方法。

(5) PBSD中，如果建筑期望达到很高的性能水准，那么必须引入现代结构控制技术。因此应该开展基于性能的结构抗震控制研究，基于位移或损伤的结构抗震控制是一个重要的研究方向。

(6)基于变形控制的抗震设计方法是最有前景的PBSD方法；需立足于结构设计，发展适应面广、计算性好而又高效的数值模拟程序来计算三维结构的弹塑性地震响应。

参考文献

[1]中华人民共和国国家标准GB50011-2001.建筑抗震设计规范[M].北京：中国建筑工业出版社，2001.

[2]钱稼茹，邹积麟.静力弹塑性分析在工程中的应用研究[R].国家自然科学基金重大项目-大型复杂结构的关键科学问题及设计理论研究专题年度研究.

[3]金毅，何浩祥，张国栋.基于性能的结构抗震设计研究概述. 辽宁建材 2010年第6期.

注：本文中所涉及到的图表、注解、公式等内容请以PDF格式阅读原文