基于性能的抗震設計理論研究評述

馮 玲 栗軒輝

(1.西北電力設計院，陜西 西安710075；2.西安交通大學 陜西 西安710049）

隨著科學發(fā)展，結構抗震設計理論得到了迅速發(fā)展。從1920 年日本學者大森房吉提出的抗震設計靜力法，1940 年美國Biot 教授提出的彈性反應譜理論，發(fā)展到近一、二十年出現(xiàn)的動態(tài)時程分析法，共經(jīng)歷了三個主要階段。 20 世紀70 年代以來，隨著人們對地震不確定性的深入認識，多級抗震設防的思想逐步得到地震工程界的認同，并提出基于性能的抗震設計理論。

1 基于結構性能抗震理論的發(fā)展概況

基于性能的抗震設計是基于性能的地震工程的一部分內(nèi)容。基于性能的抗震工程理念可以追溯到地震工程學的開始[1]。 20 世紀六十年代，美國加利福尼亞結構工程師協(xié)會和波特蘭水泥協(xié)會對基于性能的抗震工程提出了新的觀點。

1964 年美國的Alaskan 地震和1971 年的San Fernando 地震，使美國的抗震規(guī)范進行了修訂以加強建筑物在遭受地震作用時的安全性。 對規(guī)范進行大量修訂是在1984 年的Loma Prieta 地震和1994 年的Northridge 地震后。 七十年代中期，美國國家自然科學基金會和國家設防水平局資助進行了新的抗震設計方法的研究。 到了八十年代，美國的海陸空三軍總部出臺了一個關于重要建筑的抗震設計手冊[3]，手冊里提出了一些和現(xiàn)在的基于結構性能的抗震設計理論非常相近的理論。 這些抗震設計理論和1996 年出臺的升級版本可以看作是現(xiàn)在的基于結構性能的抗震設計理論的雛形。 1995 年，美國加利福尼亞結構工程師學會的Vision 2000 委員會提出了基于性能的抗震設計思想， 并建立了新的結構性能設計體系的框架。 此后， 美國和日本自1999 年起每年進行專題討論，就基于性能的抗震設計理論框架、性能水準、結構設計和分析方法等內(nèi)容進行學術交流。 從而使得這種新的設計思路及圍繞這一思路所需解決的一系列問題成為目前抗震工程及抗震設計研究的中心課題之一。

2 基于結構性能抗震設計理論

2.1 基于結構性能抗震設計理論的研究內(nèi)容

基于結構性能的抗震設計理論是以結構抗震性能分析為基礎，根據(jù)設防水準的不同，將結構的抗震性能劃分為不同的等級。 除了抗震設計方法，基于性能的抗震設計理論還包括目標性能的確定，主要包括以下三個方面：

2.1.1 地震設防水準

在設計基準期內(nèi)， 定義一組參照的地震風險和相應的設計水平，是基于性能設計理論的一個重要目標。 文獻[3]認為基于性能的設計理論應追求能控制結構可能發(fā)生的所有地震波譜的破壞水準， 為此，需要根據(jù)不同重現(xiàn)期選擇所有可能發(fā)生的對應于不同等級的地震動參數(shù)的波譜， 這些具體的地震動參數(shù)稱為地震設防水準， 分為常遇、偶遇、罕遇和稀遇地震，并給出了其重現(xiàn)期和超越概率。

2.1.2 結構的性能水平及其量化指標

結構的抗震性能水平表示結構在特定的某一地震水準下一種有限程度的破壞，主要用結構易損性、結構功能性和人員安全性來表達。文獻[4]提出按照不同的地震動水平將結構的性能水準分為四級，即功能完好、功能連續(xù)、控制破壞與損失、保證安全。文獻[5]提出了簡化的三級性能水準，即可繼續(xù)使用、修復后可再使用、保證安全。

2.1.3 抗震設計的目標性能

結構抗震設計的目標性能是針對某一地震設防水準而期望達到的抗震性能等級。我國抗震規(guī)范的目標性能實際是：小震不壞，中震可修，大震不倒。

2.2 基于性能的抗震設計方法

基于性能的抗震設計主要有以下三種方法。

2.2.1 位移影響系數(shù)法位移影響系數(shù)法的基本原理：認為非線性SDOF 體系的最大位移等于具有相同阻尼和剛度的彈性SDOF 體系的最大位移乘以一個和強度折減系數(shù)R、周期Te等有關的位移修正系數(shù)：

式中：Δi，δe分別為非線性和線性體系的最大位移；CR＝C0C1C2C3為位移修正系數(shù)；C0為反映等效單自由度體系（SDOF）位移與建筑物頂點位移關系的修正系數(shù)；C1為利用彈性位移估計彈塑性位移的修正系數(shù)；C2為反映滯回環(huán)形狀對最大位移反應影響的調(diào)整系數(shù)；C3為反應效應對位移影響的修正系數(shù)；Sa為SDOF 體系的等效自振周期和阻尼比對應譜加速度反應；Te為結構等效自振周期。

2.2.2 直接基于位移的方法

國內(nèi)外學者提出了適用于不同類型結構的基于位移的抗震設計方法。

基于位移的計算方法需要對結構的期望位移最大值進行計算，然后進行結構設計， 使結構和構件的變形能力超過期望位移最大計算值。

基于位移限值的迭代計算方法與基于位移的計算方法相似，不同的是結構的位移限值是給定的，進行結構設計時，需對結構體系進行反復修改，直到計算分析的位移值小于位移限值，整個設計過程需要迭代計算。

直接基于某一限值位移的方法是從某一給定的目標位移出發(fā)開始結構設計，并得到結構的需求強度、剛度等，最后得到滿足某一設計地震水平的目標位移。

2.2.3 能力譜方法[6]和改進的能力譜方法

能力譜法的一個顯著特點是：使用線性等效的方法。 該方法對結構在地震作用下的“需”與“供”較為明確，有助于結構性能目標的選取。

3 目前基于結構性能抗震設計方法需要解決的問題

3.1 抗震設防水準的完善

目前世界各國各種規(guī)范文件對抗震設防水準的規(guī)定，有的用四種地震風險水平，有的用三種。對于多遇地震我國的地震設防水準偏低，就會導致在第一階段抗震設計時，設計強度和彈性變形偏小，而對于常遇地震和罕遇地震則與美國規(guī)范持平。 因此，結合我國的經(jīng)濟水平及地震區(qū)域的分布特點，提出更完善的抗震設防水準是當前地震工作者的一項重要任務。

3.2 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。 由此產(chǎn)生三個問題：一是如何將業(yè)主對結構的抗震性能要求量化為具體的變形指標；二是控制指標的細化問題；三是多重指標的使用，有的學者[7]認為僅僅采用變形作為結構抗震性能的控制指標是不夠的，應該使用兩個或多個性能參數(shù)。

3.3 抗震設計方法的進一步改進

位移影響系數(shù)法只是一種衡量結構整體抗震水平的評估方法，無法提供具體樓層和主要構件的損壞情況。 另外，該方法需要確定的系數(shù)較多，每一個系數(shù)取值的變化都會對結果產(chǎn)生較大的影響，使計算結果與結構的實際最大非線性位移會產(chǎn)生較大的誤差。

直接基于位移的方法采用的是替代結構，由于替換結構的剛度是對應于最大位移時的割線剛度（或初始剛度），其周期一般比彈性結構的周期長（或小）許多。近年來的研究表明，近場強震效應、結構構件的滯回特性等對結構位移反應譜具有較大的影響。

在能力譜方法中，需要將原型多自由度結構體系轉化為等效單自由度體系，這對于多高層結構體系來說，將產(chǎn)生比較大的誤差；通常的能力譜方法都只適用于規(guī)則結構，對于抗側剛度沿結構高度方向分布不均勻的結構體系或樓層平面內(nèi)扭轉反應比較明顯的結構體系，該方法是否適用需要進一步研究。

4 結論

本文通過回顧基于性能的抗震設計理論的提出背景和發(fā)展歷史，總結了基于性能的抗震設計理論研究內(nèi)容和設計方法，提出了目前基于性能的抗震設計理論研究中存在的主要問題，為今后進一步研究指明了方向。

［1］Sigmund A. Freeman, Performance-based seismic engineering: past, current,and future[J]. Journal of Structural Division, ASCE, 2000：1-8.

［2］Structural Engineers Association of California (SEAOC). Recommended lateral force requirements[S]. Seismology Committee, 1960.

［3］California Office of Emergency Services, Vision 2000: Performance based seismic engineering of buildings[S].Structural Engineering Association of California,Vision 2000 Committee, California, 1995.

［4］J.Maffei, Suggested improvements to performance based seismic guidelines[C]//Pro. 11th World Conf. Erathquake Engrg., 2000:1087.

［5］T. J. Sullivan, G. M. Calvi, M. J. Priestley. The limitations and performances of different displacement based design methods[J]. Journal of Earthquake Engineering,2003, 7, Special Issue 1: 201-241.

［6］P. Fajfar, Capacity spectrum method based on inelastic demand spectra[J].Earthquake Engineering and Structural Dynamics, 1999, 28(6): 979-993.

［7］M. Williams. Suggested improvements to performance based seismic damage indices for concrete structures: state-of-art review [J]. Earthquake Spectra, 1995,28(1):319-349.