基于性能的抗震設計研究現狀與發展

邊 江 王建寧

（1、重慶大學土木工程學院，重慶 400045 2、陜西省建筑設計研究院，陜西 西安 710003）

1 前言

隨著現代社會經濟的飛速發展，城市的規模不斷擴大，現代化進程加快，但是由于地震的不可預測性和抗震設計的局限性，由地震給人類帶來的生命和財產損失也越來越嚴重。如1993年印度得干高原凱拉里鎮發生M6.4級地震,使地震區內10個鄉村變為廢墟，死亡和失蹤者近3萬人，1996年2月3日在中國云南麗江，中緬交界處發生M7.0級地震，死亡286人，直接經濟損失5.2億美元，1997年5月10日伊朗呼羅珊省發生M7.3級地震，死亡1567人，2300人受傷，經濟損失約5億美元，由此可見，地震給人類帶來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計足夠的重視。

2 結構抗震理論的發展階段與存在的問題

靜力理論階段：最初，在未考慮結構彈性動力特征的情況下，也無詳細的地震作用記錄統計資料的條件下，人們認為，結構物所受的地震作用可以等效于在其上施加一個水平作用，其大小與結構的特性無關，根據經驗取自重的0.1倍。

反應譜理論階段：1940年美國的Biot教授提出了彈性反應譜的概念，反應譜是單自由彈性體系在獲取的眾多地震記錄的激勵下，結構周期與響應之間的關系，包括加速度反應譜、速度反應譜、位移反應譜。

動力理論階段：隨著對地震動認識和理解的不斷加深，認識到反應譜的一些不足，如對地震動持時的影響考慮不周，再加上計算機性能的提高，使得動力法逐漸發展起來了，它的本質直接求解動力方程，但是由于地震時地面運動加速度極不規則，對于微分方程無法求出它的閉合解，因此多采用數值積分法。

3 基于性能的抗震設計理論的提出和研究

上世紀九十年代的幾次地震災害發生后，許多地震工程學者意識到再單純強調在地震作用下結構不嚴重破壞和不倒塌，已不是一種完善的抗震思想，不能適應現代工程結構抗震需求，結構的抗震設計應系統考慮地震設防標準、結構的抗震性能和經濟性能。因此,20世紀90年代初期美國的一些科學家和工程師首先提出了基于結構性能（PBSD)的抗震設計理論。基于性能的抗震設計是從宏觀定性的目標向具體量化的多重目標過渡，它根據建筑物的用途，特性的不同和業主的一定要求確定其性能目標，從而提出不同的抗震設防水準，使建筑物在未來的不同抗震等級地震作用下達到預期的抗震目標。在業主和設計人員的共同參與下，通過多目標，多層次的抗震安全設計，使得結構在未來的地震中遭受的損失是社會和業主所能承受的。

4 抗震性能水準的確定

結構性能水準的確定以及地震災害的定義屬于基于性能的抗震設計中的一個基本問題。 抗震性能水準的定義有多種方式，但是基本內容都差不多，即指一種對于每一級設防水準的設計地震所需要的結構性能水準。主要用于對結構易損性、結構功能性和建筑物內人員安全情況進行描述。我國目前使用的三水準：小震不壞，中震可修，大震不倒。

5 抗震性能目標的確定

抗震設防目標指的是針對某一地震設防等級而期望結構達到的結構性能水準。在選擇性能目標時，我們要綜合考慮許多因素如：場地特征、結構功能與重要性、投資與效益、震后損失與恢復重建、潛在的歷史與文化價值、社會效益及業主的承受能力等。從設計到施工的整個過程都必須遵守相應的規范標準。美國學者建議將結構抗震性能目標分為3個等級，即基本設防目標、重要設防目標、特別設防目標。

6 基于性能的抗震設計方法研究

基于性能的抗震設計概念（Performance-Based Seismic Design,PBSD）由美國加州大學伯克利分校J.P.Moehle率先提出。他提出基于位移的抗震設計要求進行結構分析，使結構的塑性變形能力滿足在預定的地震作用下的變形要求，即控制結構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計思想合理并且簡單有效的運用到實際的結構設計中，目前還沒有找到統一的方法。現在，基于性能的抗震設計方法大致分為三類：直接基于位移的抗震設計方法、能量設計方法。

6.1 直接基于位移的抗震設計方法

直接基于位移的抗震設計根據在一定水準地震作用下預期的位移計算地震作用，進行結構設計，以使構件達到預期的變形，結構達到預期的位移。該方法采用結構位移作為結構性能指標，與傳統設計方法相比，基于位移的抗震設計方法從根本上改變了設計過程。主要不同的是，該方法用位移作為整個抗震設計過程的起點，假定位移或層間位移是結構抗震性能控制因素。設計時用位移控制，通過設計位移譜得出在此位移時的結構有效周期，求出此時結構的基底剪力，進行結構分析，并且進行具體配筋設計，設計后用應力驗算，不足的時候用增大剛度而不是強度的方法來飛改進，以位移目標為基準來配置結構構件。該法考慮了位移在抗震性能中的重要地位，可以在結構設計初始就明確設計的結構性能水平，并且使設計的結構性能正好達到目標性能水平，是性能設計理論中很有前途的一種方法。但運用多自由度體系、多種結構類型等時，還需要做更多研究。

6.2 能量法

能量設計法的基本思想：假設結構破壞的原因是地震輸入的總能量，結構物及其內部設施的破壞是由其輸入的能量與結構物所消耗的能量共同決定的。通過控制結構的耗能能力，達到控制整個結構抗震性能的目的。能量設計法的優點在于能夠直接估計結構的潛在破壞程度，可以很好的證明結構耗能構件對結構抗震性能所起的作用。另外，耗能構件的設置可以更好的控制損失，缺點在于運用方法不夠簡化，不確定因素較多。

7 結語

基于性能的抗震設計，是結構抗震設計方法的一種發展趨勢，在國際上得到廣泛的認可。業主可以自由的選擇結構的性能，使設計的結構更直接的滿足不同使用者的要求，為設計人員提供了靈活的設計空間。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題，如抗震性能水準和性能指標量化的確定、可靠度理論中不確定因素的考慮，計算模型和設置參數的準確性、精確的結構彈塑性分析等都需要更加深入的研究，相信在不久的將來，基于性能的抗震設計將會得到廣泛的運用。

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