建筑結(jié)構(gòu)基于性能的抗震設(shè)計理論及方法

黃鶴 王佳蕾

摘要：通過將現(xiàn)行抗震設(shè)計理論與文章所討論的基于性能的抗震設(shè)計理論進(jìn)行簡單比較，為不斷完善基于性能抗震設(shè)計理論并能廣泛應(yīng)用到各建筑領(lǐng)域，將地震所帶來的各類損失與傷亡影響降到最低為目的。建筑結(jié)構(gòu)基于性能的抗震設(shè)計理論是當(dāng)今世界抗震設(shè)計的主流趨勢，文章對該設(shè)計理論與方法加以闡述，介紹該理論的提出與發(fā)展概況，設(shè)計方法并加以簡要綜述。

關(guān)鍵詞：抗震設(shè)計；基于性能；設(shè)計理論；設(shè)計方法；位移影響系數(shù)法；能力譜法；直接位移設(shè)計法

中圖分類號：TU352 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-2374（2012）03-0050-02

近100年來，隨著人們對地震的運動特征和反應(yīng)特征的探索和認(rèn)識逐步加深，人類科技水平不斷提高，對于建筑結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計及方法也在不斷的完善。各類理論在通過地震的考驗后逐漸發(fā)展、全面、多樣化，其中基于性能的抗震設(shè)計理念是為當(dāng)下各國所大力發(fā)展的。

一、建筑結(jié)構(gòu)基于性能的抗震設(shè)計概況

（一）基于性能的抗震設(shè)計的提出

20世紀(jì)90年代初，美國學(xué)者首先提出了這項設(shè)計理論，以改進(jìn)基于承載力的傳統(tǒng)設(shè)計理念，用量化的抗震指標(biāo)來控制建筑抗震性能，隨即被各國所重視。該項設(shè)計理論基礎(chǔ)是結(jié)構(gòu)性能分析，根據(jù)用途和要求確定性能，使建筑物在面對不同的地震等級中達(dá)到預(yù)期抗震目標(biāo)。

1995年，美國的放眼21世紀(jì)委員會提出了基于性能抗震設(shè)計的框架，此專項研究得到美國政府大力支持與資助，并進(jìn)行了有前瞻性的多方面研究。此后，澳大利亞、日本、新西蘭、英國、智利等國家也在多方資助下，為推進(jìn)此專項研究，成立了各類委員會，包括評估、分析、協(xié)調(diào)、規(guī)范等，在對這項理論進(jìn)行了大量的研究后，均提出和采用了力求達(dá)到國際一體化要求的一系列抗震設(shè)計理論。

我國在這項理論的研究上起步較晚，為了與國際規(guī)范同步，我國在與美國等在這項研究領(lǐng)域取得先進(jìn)成果的國家進(jìn)行學(xué)術(shù)交流、學(xué)習(xí)中，對這項理論進(jìn)行專項研究并引入理論，許多中國高校也開展了專項研究，旨在不斷發(fā)展和完善出符合我國國情的性能抗震設(shè)計理論，并取得了一定的研究成果。

（二）性能抗震設(shè)計理念的特點

通過對現(xiàn)行抗震設(shè)計理論的實踐，可以對兩者進(jìn)行對比，以得到性能抗震設(shè)計理念的特點。

1．多級設(shè)防。相對于現(xiàn)行的三階段設(shè)防目標(biāo)（小震不壞、中震可修、大震不倒），性能抗震設(shè)計注重多級設(shè)防，保護(hù)非結(jié)構(gòu)件與內(nèi)部設(shè)施，后者的設(shè)計理念既保證使用者安全，又減輕業(yè)主和社會的經(jīng)濟(jì)損失與壓力。

2．投資效益準(zhǔn)則。性能抗震設(shè)計偏重于安全、經(jīng)濟(jì)等多方面。在安全與經(jīng)濟(jì)之間找到合理、平衡的切入點，確定最佳方案，以優(yōu)化設(shè)計為目的。

3．自由度大。相比較傳統(tǒng)抗震設(shè)計刻板的被動狀態(tài)，性能抗震設(shè)計可根據(jù)業(yè)主的要求確定目標(biāo)，給設(shè)計帶來新的動力。

（三）性能抗震設(shè)計目標(biāo)

目標(biāo)為在不同地震等級的作用下，建筑物結(jié)構(gòu)能達(dá)到預(yù)期所應(yīng)達(dá)到的水平。最大程度的在經(jīng)濟(jì)與結(jié)構(gòu)可靠性上找到合理的平衡點。建立設(shè)計目標(biāo)需要考慮場地、結(jié)構(gòu)所需功能、建筑重要性、損失與重建等各方面的因素。

（四）設(shè)計設(shè)防水準(zhǔn)

1．地震設(shè)防水準(zhǔn)。抗震設(shè)計設(shè)防對象所選擇的地震強度，直接決定建筑物的抗震能力，如何確定設(shè)防水準(zhǔn)在基于性能抗震設(shè)計中有決定性的地位。應(yīng)取決于優(yōu)化后的經(jīng)驗基礎(chǔ)上來確定并根據(jù)地震參數(shù)及烈度作設(shè)防水準(zhǔn)。

2．結(jié)構(gòu)性能水準(zhǔn)。地震等級作用下對建筑物預(yù)期破壞最大程度。除了對主體結(jié)構(gòu)破壞帶來的損失有控制力外，還要注重對非主體、內(nèi)設(shè)施的損壞的控制。因此，能兼顧主體、非主體結(jié)構(gòu)破壞程度的結(jié)構(gòu)性能水準(zhǔn)才是合理、科學(xué)的。

（五）現(xiàn)行抗震設(shè)計局限性

1．現(xiàn)行抗震設(shè)計很少對建筑結(jié)構(gòu)在地震發(fā)生時的性能進(jìn)行評估，只是按規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計。

2．業(yè)主與使用者并不了解所使用的建筑結(jié)構(gòu)的抗震性能。

3．經(jīng)濟(jì)評估準(zhǔn)則并沒有在建筑業(yè)中得到廣泛應(yīng)用。

（六）現(xiàn)行抗震設(shè)計理念存在問題

1．設(shè)計參數(shù)選擇不當(dāng)。我國現(xiàn)行抗震設(shè)計基于強度或承載力，但經(jīng)實踐表明建筑物結(jié)構(gòu)的抗震不僅基于強度。

2．性能概念不明確。現(xiàn)行設(shè)計規(guī)范對多級設(shè)防的目標(biāo)描述較模糊，業(yè)主追求最經(jīng)濟(jì)的方案，設(shè)計人員追求單純的重力承載，基礎(chǔ)未能處于科技的評價之上，導(dǎo)致面臨地震時損失的加重。

3．損失控制不力。現(xiàn)行設(shè)計理念除了重視主體結(jié)構(gòu)損壞造成損失外，對非主體結(jié)構(gòu)、內(nèi)部設(shè)施損壞所帶來的損失容易忽視。

4．刻板的規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)。設(shè)計者走不出以往設(shè)計規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)的條框，約束了設(shè)計人員的主動性。

5．設(shè)計方法的欠缺。現(xiàn)行的設(shè)計方法偏于保守，限制了新技術(shù)的應(yīng)用。

二、基于性能的抗震設(shè)計方法

（一）性能抗震設(shè)計階段

1．概念設(shè)計。根據(jù)用途和業(yè)主的要求，合理確定設(shè)防目標(biāo)，通過場地、建筑平面等進(jìn)行初步設(shè)計。

2．計算設(shè)計。根據(jù)預(yù)定的設(shè)防目標(biāo)，計算出能影響各類因素的抗震參數(shù)，參數(shù)與預(yù)定目標(biāo)不符要及時修改，直至滿足參數(shù)需求。以基于位移的抗震性能設(shè)計為例，主要包括步驟有確定不同強度地震作用下性能目標(biāo)；根據(jù)初步設(shè)計，確定結(jié)構(gòu)內(nèi)的位移的極限值；通過等效阻尼比等各類等效數(shù)值，確定等效剛度；設(shè)計采用必需的構(gòu)造措施；評價結(jié)構(gòu)強度要求和變形能力。以嚴(yán)謹(jǐn)、科學(xué)、合理的態(tài)度進(jìn)行評估，如計算階段有不符合，則需重復(fù)計算設(shè)計步驟，以不斷完善結(jié)構(gòu)設(shè)計。

3．性能評估。通過各類的分析法得出設(shè)計結(jié)果來確定該建筑結(jié)構(gòu)的性能。

（二）性能抗震設(shè)計方法

目前大致主要有：位移影響系數(shù)、能力譜、直接位移設(shè)計等方法。

1．位移影響系數(shù)法。基于結(jié)構(gòu)性能設(shè)計方法，通過分析得出的最大期望位移值，利用等效方法、模態(tài)進(jìn)行確定。以達(dá)到此系數(shù)的修正作用。此方法還存在著由于它是整體抗震評估方法，無法具體體現(xiàn)主要結(jié)構(gòu)、樓層的損壞情況與抗震水準(zhǔn)等問題。

2．能力譜法。1975年被提出，隨后不斷改進(jìn)。能力譜設(shè)計是將能力譜曲線與地震反應(yīng)譜轉(zhuǎn)化而來的需求譜，進(jìn)行比較來評估其抗震性能。此方法側(cè)重對結(jié)構(gòu)的實際性能進(jìn)行驗算、評估。另外，能力譜設(shè)計法比較適用于平面結(jié)構(gòu)可簡化且分布較均勻的結(jié)構(gòu)，否將會產(chǎn)生不小的誤差。

3．直接位移設(shè)計法。側(cè)重于結(jié)構(gòu)性能設(shè)計，概念簡單，根據(jù)地震等級來預(yù)期位移計算，使結(jié)構(gòu)達(dá)到預(yù)定位移。此方法也存在著只能從建筑結(jié)構(gòu)材料的極限變化得到數(shù)值，而不能考慮到預(yù)期以外的強震效應(yīng)的不足。

三、結(jié)語

建筑結(jié)構(gòu)基于性能的抗震設(shè)計是比較寬泛的體系，它是現(xiàn)行抗震設(shè)計的延續(xù)與發(fā)展，以結(jié)構(gòu)性能分析作為基礎(chǔ)，建筑物的性能目標(biāo)以全面、科學(xué)的因素來確定，使建筑物在面對不同等級的地震時，能達(dá)到預(yù)期的抗震目標(biāo)。與傳統(tǒng)抗震設(shè)計相比，優(yōu)點明顯：基于性能抗震相較于以往更系統(tǒng)化；性能抗震設(shè)計的適應(yīng)性、連貫性更好，應(yīng)用意義更大；靈活性的加大，使設(shè)計人員能發(fā)揮創(chuàng)造性，增加對新技術(shù)、新材料的推廣應(yīng)用等。性能抗震設(shè)計方法也需要解決一些設(shè)防水準(zhǔn)數(shù)據(jù)化的劃分，合理的參數(shù)取值范圍介定等問題，才能更好的服務(wù)于社會經(jīng)濟(jì)建設(shè)，達(dá)到符合我國國情的設(shè)計規(guī)范。

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（責(zé)任編輯：趙秀娟）