基于性能的結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計方法最新研究進(jìn)展

摘要：本文主要闡述了基于性能的抗震設(shè)計理論主要內(nèi)容，包括設(shè)防地震等級的確定、結(jié)構(gòu)抗震性能水準(zhǔn)的劃分和抗震性能目標(biāo)的確定以及基于性能的抗震設(shè)計方法，最后指出基于性能的抗震設(shè)計是未來抗震設(shè)計的發(fā)展方向。同時也介紹了基于性能的結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計方法最近研究進(jìn)展。

關(guān)鍵詞：地震，結(jié)構(gòu)抗震，抗震設(shè)計

1、結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計方法的發(fā)展

當(dāng)前各國采用的“小震不壞、中震可修、大震不倒”抗震設(shè)防水準(zhǔn)，是以保證生命安全為單一設(shè)防目標(biāo)的。盡管能做到大震時主體結(jié)構(gòu)不倒塌以保證生命安全，但仍可能導(dǎo)致中小地震作用下結(jié)構(gòu)喪失正常使用功能而造成巨大的財產(chǎn)損失。因此基于性能的抗震設(shè)計被認(rèn)為是未來抗震設(shè)計的主要發(fā)展方向。經(jīng)過近100年的科學(xué)研究和工程實踐，結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計經(jīng)過了1、剛性設(shè)計;2、柔性設(shè)計;3、延性設(shè)計;4、結(jié)構(gòu)控制設(shè)計;5、基于性能的抗震設(shè)計等5個階段。

2、基于性能的抗震設(shè)計方法研究

2.1承載力設(shè)計方法。

承載力設(shè)計方法是目前各國規(guī)范所普遍采用的方法，基于承載力設(shè)計方法又可分為靜力法和反應(yīng)譜法。靜力法產(chǎn)生于20世紀(jì)初期，是最早的結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計方法。上世紀(jì)初前后日本濃尾、美國舊金山和意大利Messina的幾次大地震中，人們注意到地震產(chǎn)生的水平慣性力對結(jié)構(gòu)的破壞作用，提出把地震作用看成作用在建筑物上的一個總水平力，該水平力取建筑物總重量乘以一個地震系數(shù)。用現(xiàn)在的結(jié)構(gòu)抗震知識來考察，靜力法沒有考慮結(jié)構(gòu)的動力效應(yīng)，即認(rèn)為結(jié)構(gòu)在地震作用下，隨地基做整體水平剛體移動，其運動加速度等于地面運動加速度，由此產(chǎn)生的水平慣性力，即建筑物重量與地震系數(shù)的乘積，并沿建筑物高度均勻分布。考慮到不同地區(qū)地震強(qiáng)度的差別，設(shè)計中取用的地面運動加速度按不同地震烈度分別給出。根據(jù)結(jié)構(gòu)動力學(xué)的觀點，地震作用下結(jié)構(gòu)的動力效應(yīng)，即結(jié)構(gòu)上質(zhì)點的地震反加速度不同于地面運動加速度，而是與結(jié)構(gòu)自振周期和阻尼比等有關(guān)。采用動力學(xué)方法可以求得不同周期單自由度彈性體系質(zhì)點的加速度反應(yīng)。以地震加速度反應(yīng)為坐標(biāo)，以體系的自振周期為橫坐標(biāo)，所得到的關(guān)系曲線稱為地震加速度反應(yīng)譜，用來計算地震引起的結(jié)構(gòu)上的水平慣性力更為合理，即反應(yīng)譜法。對于多自由度系，可以采用振型分解組合方法來確定地震作用。

2.2位移設(shè)計方法。

（1）直接基于位移的設(shè)計方法。該方法是先假定結(jié)構(gòu)的整體側(cè)移模式，并按照結(jié)構(gòu)動力學(xué)方法將實際的多自由度體系轉(zhuǎn)化為等效單自由度體系，確定等效單自由度體系結(jié)構(gòu)的彈塑性地震位移反應(yīng)，再根據(jù)側(cè)移模式反算出原多自由度體系各樓層的彈塑性地震位移反應(yīng)，驗算其是否符合限值要求。該抗震設(shè)計方法直接用位移指標(biāo)衡量結(jié)構(gòu)的性能，比較直觀，計算方法也較為簡單，便于設(shè)計中應(yīng)用。但是，該方法中控制結(jié)構(gòu)性能的因素比較復(fù)雜，比如一般認(rèn)為在小震下強(qiáng)度是控制結(jié)構(gòu)性能的主要因素，但是單用位移指標(biāo)來進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計可能不夠全面。另外，設(shè)計過程中側(cè)移模式的選取、等效單自由度體系的轉(zhuǎn)化、各性能目標(biāo)限值的確定以及高振型影響的忽略等等，都直接或間接地影響了該方法的精確性，所以該方法仍需要進(jìn)行更深入地研究。

（2）能力譜方法。能力譜方法最初是由Freeman等人在1975年美國海軍工程項目簡化評估時提出來的，后經(jīng)許多學(xué)者不斷改進(jìn)而來的方法。該方法是通過將地震反應(yīng)譜曲線和結(jié)構(gòu)能力譜曲線轉(zhuǎn)換成相同的格式，求得兩個曲線相交點（稱作性能點）的位移（稱作目標(biāo)位移），或者采用圖示的方法直觀地評估結(jié)構(gòu)在給定地震作用下的性能。能力譜法的實質(zhì)是目前采用的基于力的設(shè)計方法加位移、變形的校核。雖然能力譜法沒有嚴(yán)密的理論論證，但由于該方法運用圖形對比結(jié)構(gòu)的能力和地震地面運動對結(jié)構(gòu)的需求，能夠比較直觀地評價結(jié)構(gòu)在地震作用下的表現(xiàn)，所以該方法目前仍然被許多國家運用，如 《日本建筑標(biāo)準(zhǔn)法》和美國的ATC—40都采用能力譜法作為基于性能的抗震設(shè)計。

（3）按延性系數(shù)設(shè)計的方法。一般建筑物都按照承受小于在彈性反應(yīng)結(jié)構(gòu)上產(chǎn)生的水平地震作用來進(jìn)行設(shè)計，這意味著這樣的結(jié)構(gòu)將會出現(xiàn)非線性變形，進(jìn)而產(chǎn)生延性反應(yīng)。一個結(jié)構(gòu)所具備的良好延性有助于減小地震作用、吸收和耗散地震能量，避免結(jié)構(gòu)倒塌。按延性系數(shù)設(shè)計的方法就是要考察結(jié)構(gòu)屈服以后的延性反應(yīng)過程，研究鋼筋混凝土構(gòu)件與結(jié)構(gòu)的延性問題。在新西蘭等國家得到廣泛運用的按延性系數(shù)設(shè)計方法的實質(zhì)是通過建立構(gòu)件的位移延性系數(shù)或截面曲率延性系數(shù)與塑性鉸區(qū)混凝土極限壓應(yīng)變的關(guān)系，由約束箍筋來保證核心混凝土能夠達(dá)到所要求的極限壓應(yīng)變，從而使構(gòu)件具有要求的延性系數(shù)。按延性系數(shù)設(shè)計的方法可分為4個基本步驟：一是進(jìn)行結(jié)構(gòu)小震下承載力計算，求出截面內(nèi)力以及配筋。二是根據(jù)大震和經(jīng)強(qiáng)度驗算選定的截面、配筋所得的結(jié)構(gòu)實際強(qiáng)度，求出結(jié)構(gòu)整體需要的位移延性系數(shù)。三是根據(jù)結(jié)構(gòu)位移延性系數(shù)位移延性系數(shù)和結(jié)構(gòu)體系的塑性變形機(jī)制，確定構(gòu)件的延性需求，計算臨界截面需要的曲率延性系數(shù)。值得注意的是，不同的變形機(jī)制，其結(jié)構(gòu)和構(gòu)件間的延性關(guān)系也不同。四是通過與塑性鉸區(qū)混凝土極限壓應(yīng)變的關(guān)系，確定箍筋，進(jìn)行截面的延性設(shè)計。按延性系數(shù)設(shè)計的方法側(cè)重構(gòu)造措施在結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計中的作用，對構(gòu)造措施進(jìn)行定量分析，并試圖建立一個明確的塑性變形機(jī)構(gòu)，使建筑物在遭遇地震時按照預(yù)定的塑性變形方式進(jìn)行反應(yīng)。但按照該方法要真正實現(xiàn)結(jié)構(gòu)具體的抗震性能目標(biāo)還需要繼續(xù)進(jìn)行更詳細(xì)深入的研究工作。

2.3.能量設(shè)計方法。

能量分析的概念在1956年由Housner提出后，人們對它的研究一直在進(jìn)行，但由于受技術(shù)手段的限制，多年來主要集中在概念的討論和單自由度結(jié)構(gòu)的計算分析方面。直到20世紀(jì)70年代末和80年代初，隨著實際地震數(shù)字化記錄、震害觀測資料和結(jié)構(gòu)試驗數(shù)據(jù)的大量積累，人們才清楚地認(rèn)識到結(jié)構(gòu)的能量反應(yīng)在評價地面運動強(qiáng)度和結(jié)構(gòu)破壞程度中的重要作用。尤其是隨著計算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)非線性時程分析方法的廣泛應(yīng)用，使人們具備了深入系統(tǒng)地進(jìn)行結(jié)構(gòu)動力彈塑性能量反應(yīng)分析的條件，能量分析方法的研究自此也進(jìn)入了新的時期。在建立的能量方程中，結(jié)構(gòu)的阻尼耗能和滯回耗能隨時間單調(diào)增加，在地震結(jié)束時取得最大值。滯回耗能是最具有工程意義的能量反應(yīng)指標(biāo)，它能很好地反映強(qiáng)震持續(xù)時間對結(jié)構(gòu)的影響，實踐中主要利用它來衡量結(jié)構(gòu)的塑性累積損傷。當(dāng)結(jié)構(gòu)進(jìn)入塑性階段以后，動能和彈性應(yīng)變能在總耗能中所占的比例很小，而地震輸入給結(jié)構(gòu)的能量主要依靠結(jié)構(gòu)的非彈性變形和阻尼來耗散。可以這樣認(rèn)為，阻尼耗能及體系的塑性變形能和滯回耗能能力決定了結(jié)構(gòu)的抗震能力，也即如果體系阻尼耗能及滯回耗能能力大于地震輸入能量，即可保證結(jié)構(gòu)的抗震性能，從而防止結(jié)構(gòu)在地震作用下的倒塌。