淺談基于性能的結構抗震設計思想的發展現狀

戴大志 逄毓卓 邵新妍

（1、哈爾濱工業大學建筑設計研究院，黑龍江 哈爾濱 150000 2、東北農業大學水利與建筑學院，黑龍江 哈爾濱 150000）

1 結構抗震設計發展歷程

隨著人們對于地震動和結構動力特性理解的深入，結構抗震理論從最初的靜力理論階段、反應譜理論階段，發展到動力理論階段和目前的基于性能的抗震設計理論階段。圖1表述了結構抗震設計的發展歷程。

2 基于性能的結構抗震設計概述

目前對基于性能的抗震設計（Performance-Based Seismic Design，簡稱 PBSD）還沒有嚴格的定義，比較有權威性的解釋是美國加州結構工程師學會（SEAOC）、美國應用技術局（ATC）和美國聯邦緊急救援署（FEMA）等組織給出的基于性能設計的描述。綜合上述研究機構的描述，國內學者給出的基于性能的抗震設計的概念是指從項目的提出開始，直到建筑壽命結束的全過程，它包括地震危險性分析、性能水準和性能目標的選擇、場地適應性決策、概念設計、初步設計、最終設計、設計可行性檢查、設計重復檢查、施工質量保證和建筑物壽命期內的維護，每一步都是性能工程的關鍵，必須達到與選擇的性能目標相適應的水平，其中最重要的組成部分是結構設計。

3 基于性能的抗震設計的研究內容

基于性能的抗震設計的主要研究內容主要集中在兩大方面，一方面為基于性能的抗震設計理論框架的建立，另一方面為如何給出一套適用的以性能抗震設計為理論指導的結構設計方法。

基于性能的抗震設計的理論基礎為地震設防水準的界定。目前我國的抗震設防水準為："三水準的設防目標"[1]，這種設計水準可視為與結構的極限狀態和地震重現期相對應，即：正常使用極限狀態（小震）、破壞控制極限狀態（中震）和承載能力極限狀態（大震）。而基于性能的抗震設計把地震的設防水準按照不同的地震動水平定義了完全可靠、可靠、生命安全、不倒塌四個水準。地震設防水準直接關乎結構的抗震能力，它的確定在基于性能抗震設計理論中占有相當重要的地位。Vision 2000報告中建議的設防地震等級見表1。

基于性能的抗震設計的理論的另一個重要問題就是結構抗震性能指標的量化與細化及多重指標的研究。目前對于基于性能的抗震設計,主要還是采用基于位移或變形的設計方法。性能參數主要有：變形，如應變、截面曲率；位移，如構件端部的轉動，層間位移、頂點位移；力，如基底剪力、層剪力；能量等。

4 基于性態的抗震設計方法

檢驗結構的抗震能力是否超過結構的抗震要求，必須對結構進行抗震計算。結構的計算分析方法基本可分為兩類：彈性方法和彈塑性方法。按對地震作用的不同處理方式，又可分為動力(時程)分析和等效靜力分析。基于結構性能的抗震設計方法包括基于力、基于位移和基于能量的設計方法。較典型的方法有能力譜法和位移影響系數法。

4.1 能力譜法

能力譜方法也是一種以Pushover分析為基礎的簡化分析方法。這種方法通過結構的能力譜和地震需求譜來直接估計結構的彈塑性反應。這里的需求譜是由單自由度體系在有效阻尼下擬加速度反應譜轉換得來的,能力譜曲線則是指由Pushover分析得到的結構基底剪力一頂點位移關系曲線轉換得到的等價單自由度體系的譜加速度一譜位移關系曲線。

4.2 位移影響系數法

位移影響系數法,是另一種計算彈塑性體系地震作用下位移需求的簡化方法。在這種方法中,彈塑性體系的頂點位移可以由下式求得:

其中,C0為聯系等價單自由度體系譜位移與多自由度體系頂點最大彈塑性位移的系數。C0的取值可以用第一振型參與系數與頂點處振型值的乘積 。

C1為利用彈性位移估計彈塑性位移的修正系數。

C2為關于剛度及強度退化性能的修正系數。

5 基于性能的結構抗震設計存在的問題

目前，基于性態抗震設計理論處于動態研究之中，其研究范圍不斷擴展，內容也相繼增加，現階段該設計思想還存在以下問題

圖1

(1)地震設防水準時如何進一步考慮建筑場地特征和近震的影響；震后恢復重建所需的時間或費用與地震設防水準之間的定量關系。

表1 設防地震等級的劃分

(2)位移和損傷之間的定量關系與多級損傷量化指標有待于進一步研究；需建立結構使用功能喪失和損傷之間的定量關系；建筑內部設備性能也需利用損傷指標加以定量化。

(3)為了PBSD的實現，結構性能水準的定義與級數、相應的結構損傷狀態和結構設計準則都需要統一；需發展適合于多級地震設防水準下多級性能水準的效率高而有效的一般設計方法。

(4)對長周期結構進行靜力彈塑性分析時，側向荷載分布模式的確定需考慮高階振型的影響，因此發展基于多自由度的靜力彈塑性分析方法很有應用價值；需研究設置結構控制裝置的靜力彈塑性分析方法。

(5)PBSD中，如果建筑期望達到很高的性能水準，那么必須引入現代結構控制技術。因此應該開展基于性能的結構抗震控制研究，基于位移或損傷的結構抗震控制是一個重要的研究方向。

(6)基于變形控制的抗震設計方法是最有前景的PBSD方法；需立足于結構設計，發展適應面廣、計算性好而又高效的數值模擬程序來計算三維結構的彈塑性地震響應。

[1]中華人民共和國國家標準GB50011-2001.建筑抗震設計規范[M].北京：中國建筑工業出版社，2001.

[2]錢稼茹，鄒積麟.靜力彈塑性分析在工程中的應用研究[R].國家自然科學基金重大項目-大型復雜結構的關鍵科學問題及設計理論研究專題年度研究.

[3]金毅，何浩祥，張國棟.基于性能的結構抗震設計研究概述.遼寧建材 2010年第6期.