結構抗震設計中基于性能的設計理論和方法

結構抗震設計中基于性能的設計理論和方法

李來軍

(中國建材國際工程集團有限公司，深圳 518054)

摘要：該文對抗震設計理論的發展過程進行了簡單的介紹，并對基于性能的抗震設計理論的提出和設計方法進行了一些闡述和討論。這種理論在現行規范以及工程中都已經有了相關規定及實際應用，成為了抗震設計理論進一步發展完善的主要方向。

關鍵詞：抗震設計；基于性能的理論；性能目標；時程分析法

doi:10.3963/j.issn.1674-6066.2015.04.020

Abstract:This paper gave several brief introduces on the various development stages of anti-seismic design theory, and also described the main contents and design methods of performance-based seismic design theory, as the main direction of anti-seismic design theory development.This theory has already have related regulations and actual applications in our life.

收稿日期：2015-04-20.

作者簡介：李來軍(1982-)，工程師.E-mail:lljdyx@hotmail.com

Performance-based Seismic Design Method on Structural

Seismic Design

LILai-jun

(China Triumph International Engineering Group Co,Ltd,Shenzhen 518054, China)

Key words:anti-seismic design；performance-based seismic design method；performance objective；time-history analysis method

地震作為一種很難預測的自然災害，自古以來就時常給人類社會造成嚴重的影響，隨著全球經濟的快速發展和人口數量的增加，現代化城市的建設日趨復雜，地震帶來的直接破壞和次生災害所引起的人身傷亡和經濟損失也急劇增加。因此，自從人們在各種建筑結構的設計施工過程中有意識地加入有關抗震的概念、方法以后，抗震設計的理論及方法就在不斷地發展。

結構抗震設計作為一個專門的學科發展方向，被研究的時間已有了一個世紀，從早期的抗震設計靜力法，發展到之后的彈性反應譜理論，再到現在的動力時程分析法，結構抗震設計理論大致上經歷了三個主要階段。

靜力理論是指不考慮地震的動力特性和結構的動力性質，假定建筑物是剛性的，將地震作用簡化為等效的水平方向靜力，并使其作用在質量中心，其大小相當于建筑物的重量乘以與結構特性無關的地震系數，結構任意位置的加速度都等于地震動加速度。

反應譜理論是伴隨著強地震動加速度觀測記錄的增多和對地震地面運動性質的進一步了解，以及對結構動力反應特性的研究而發展起來的，這種理論以彈性反應譜為基礎，將反應譜同振型分解法相結合，結構及構件總的內力通過各振型的內力用振型組合的方法得到，這樣使得求解復雜多自由度體系的地震反應簡單化。反應譜理論考慮了結構的動力特性與地震動特性之間的動力關系，但仍把地震作用產生的內力看作靜力，不能反映地震在其持續過程中對結構的破壞影響，因此，只能稱之為準動力理論。

隨著上世紀后一階段計算機技術和工程試驗技術的發展，結構在強震作用下的非線性反應過程的研究有了重要的基礎條件和極大的助力，伴隨著強震及結構的地震反應記錄的不斷積累，結構抗震的動力理論隨之形成。動力時程分析法把地震看作一個時間過程，將結構簡化為多自由度體系，輸入有代表性的地震波數據作為地面運動，計算后得到地震歷程中每一時刻結構的內力和變形的變化，并以此進行抗震設計。分析過程中輸入的是地震波的整個過程，且程序中也考慮了不同材料的性能變化及其引起的結構剛度變化等非線性問題，因此可以真實反映出各個時刻地震作用引起的結構響應，包括內力、位移、損傷形態等，相比較其它方法而言分析結果更為準確可靠。

一直以來抗震設計的理念都是為了保證生命安全，實際震害經驗也表明這種設計思路基本上也達到了它的目的，但這種單一的、基于生命安全的抗震設計方法無法保證小、中震時建筑結構的破壞，特別是附屬功能及各種設備等不屬于結構構件的中斷和損壞，而這些會導致多方面的嚴重的經濟損失。隨著工程技術人員對抗震設計理論的進一步思考，上世紀末期美國科學家和工程師首先提出了基于性能的抗震設計理論，這種理論的基本思想是即經濟又可靠地保證被設計的建筑結構在使用期間滿足各種預定功能或性能目標要求，即在控制建筑和設施的地震破壞的同時，保持地震時正常的生產生活功能，減少地震危害。

1基于性能的抗震設計理論的主要內容

基于性能的設計理論是設計者根據不同的設防目標，將結構的性能水準劃分為不同的等級。根據建設者的要求，以結構的抗震性能分析為基礎，選取合理的抗震性能目標進行抗震設計，其主要內容有以下幾點：

1)地震動水準，作為自然現象的地震有著很大的不確定性，性能化設計需要對不同水準的地震作用進行預先估計，同時也要考慮不同地方發生地震時近場地震的影響。我國規范中按照基準期50年對應的不同超越概率，給出的地震作用有多遇地震、設防地震和罕遇地震。結構抗震設計的基準期是抗震規范確定地震作用取值時選用的統計時間參數，與國內外一般建筑結構取用的結構設計使用年限一致，均為50年。不同設防地震的基本加速度值及加速度時程最大值在抗震規范中均有給出，對于設計使用年限不到50年的結構，其地震作用取值需經過專門研究及批準后確定。

2)結構抗震性能目標，結構抗震設計的性能目標是對應于不同地震動水準而預估出現的預期損壞狀態或使用功能，我國的相關規范提出的“小震不壞、中震可修、大震不倒”這三個水準的要求，明確大震時不發生危及生命的嚴重破壞，保證生命安全就是屬于一般情況的性能設計目標。《抗規》及《建筑地震破壞等級劃分標準》中對地震破壞分級和直接經濟損失估計方法都有明確劃分，總體上分為基本完好、輕微損壞、中等破壞、嚴重破壞及倒塌這五個結構的性能水準，這與國外標準的一些描述并不完全相同，對應于上述等級劃分，規范中也給出了4個可選的高于一般情況的抗震性能目標級別。

結構性能目標的建立需要綜合考慮抗震設防類別、設防烈度、場地特征，結構類型、功能，投資大小、震后的損失與修復難度，潛在的歷史、文化價值及業主的承受能力等諸多因素。同時,性能目標可根據需要分別選定整個結構、結構的某些關鍵部位、重要構件、次要構件以及建筑、機電構配件等，具有很強的針對性和靈活性。考慮到地震運動的不確定性、結構在強震下的非線性分析方法本身存在的經驗因素，以及工程在實際震害中抗震性能的判斷難以做到十分準確，規范中對于性能目標的選擇是傾向于偏安全一些的。

3)結構性能設計的量化指標，設計過程中性能目標的實現需要落實到若干具體的設計指標，以便應用于具體的工程設計，如不同地震動水準下結構或構件的承載力、變形以及細部構造等。《抗規》中對結構構件實現抗震性能要求所需要的抗震承載力、變形能力以及構造的抗震等級，均有對應條文規定，對于不同性能水準要求的構件承載力復核所涉及的地震內力計算和調整、地震作用效應組合、材料強度取值和驗算方法等，也有不同組合公式的表達方式。整個結構不同部位構件的抗震性能要求不盡相同，當以提高抗震承載力安全性為主時，結構構件對應于不同性能要求的承載力參考指標；而當需要按照殘余變形確定使用性能的時候，結構構件除了滿足提高抗震安全性的性能要求外，不同性能要求的層間位移也對應有相應的參考指標；結構構件細部的構造對應不同性能要求的抗震等級，結構中的不同構件可按各自最低的性能要求選用對應的抗震等級。

4)結構抗震性能化設計的計算分析和工程判斷，結構抗震的性能化設計仍然是以目前現有的科學技術水平為前提條件的。

現階段的計算機等相關學科技術水平相比較上世紀中后期，已經有了很大的發展，與各種軟件技術以及不斷改進的抗震設計理論相結合后，產生了許多不同類型的設計應用軟件，極大地豐富了建筑結構設計的手段，提高了設計效率。

分析論證結構抗震性能的重點是通過深入的計算分析和工程判斷，找出結構的薄弱部位，采取針對性的抗震措施。現在的結構計算基本上都是在計算機軟件中建立模型加以計算分析，而分析模型是否正確，將直接關系到結果的合理性和可信程度。因此，經過合理簡化后，仍能正確反應結構的實際工作情況，這是結構計算分析最基本的前提條件。在軟件設置中，對整體結構、構件及節點的各種計算參數要力求正確合理，有時還要輔以必要的工程試驗，以補充設計依據。性能化設計通常都會考慮強烈地震下構件的彈塑性工作階段和重力二階效應，而目前的軟件在彈塑性分析所需參數、軟件對于裂縫狀態和殘余變形的模擬、結構阻尼系數的賦值、構件實際配筋與計算值的差異等方面仍需要進一步的分析研究。

中震或大震時的構件受剪承載力驗算，應根據整個結構不同部位進入彈塑性階段程度的不同而采用不同的方法。當構件總體上處于開裂階段或剛剛進入屈服階段，可以采用等效剛度和等效阻尼，按等效線性方法簡化模型進行估算。構件總體上處于承載力屈服至極限階段，宜采用靜力或動力彈塑性分析方法估算。構件總體上處于承載力下降階段，應采用計入下降段參數的動力彈塑性分析方法估算。而對于彈塑性計算結果，可結合彈性假定的計算結果對比分析，對一些復雜的結構體系還應注意作必要的補充計算分析。時程分析法的目的在于發現結構構件在中震及大震下的承載力和變形規律，適合于對結構整體性能的把握和驗證。

彈塑性變形通常比彈性變形大很多，同時不同軟件在模型處理及有限元等相關支持理論等也有些許不同，再有不同的設計人以及不同的經驗等因素。因此，彈塑性分析相比彈性靜力分析有更大的不確定性，這要求設計人員對采用軟件的適用性要有相當程度的了解。當計算結果不合理或者存在怪異問題時，可能還需要結構與軟件設計人員共同分析解決。

2性能化設計與抗震概念設計的關系

進行性能化抗震設計的一項主要工作是對結構方案進行分析，以確定是否采用性能化設計方法，包括場地條件、結構類型及高度、規則性等內容，而這些均屬于抗震概念設計的范疇。事實上現在幾乎所有的建筑結構在開始設計時，首要進行的都是概念設計，而且一個抗震設計是否合理，在很大程度上取決于是否有一個好的概念設計。需要采用性能化設計的工程，很多的初始方案都不能完全滿足抗震概念設計的要求，這時就需要結構設計人員與建筑等相關專業設計人員商議協調，盡量減少結構中不符合概念設計的情況和程度，在《抗規》中明確規定不應采用嚴重不規則的建筑，對于特別不規則的建筑應進行專門研究和論證，如進行性能化抗震設計，則需要慎重選用結構的抗震性能目標。

3結語

基于性能的抗震設計綜合考慮了生命安全與經濟損失兩方面的要求，使得“多級設防”的理念更加具體化，是解決復雜超限結構設計問題的有效手段和重要方法之一，這個理論在我國也已經有了一系列的研究和發展。新編制施行的規范和規程中對這一理論有著日漸詳細的規定和條文說明，也使得這一設計方法在工程實踐中的可操作性不斷提高。現在，基于性能的抗震設計理論已經成為了抗震設計理論的發展方向，對結構工程的設計和發展具有重大意義。

參考文獻

[1]GB 50011—2010，建筑抗震設計規范[S].

[2]JGJ 3—2010，高層建筑混凝土結構技術規程[S].

[3]朱炳寅. 建筑結構設計問答及分析[M]. 第2版. 北京：中國建筑工業出版社，2013.

[4]馬宏旺，呂西林. 建筑結構基于性能抗震設計的幾個問題[J]. 同濟大學學報，2002，36(12)：1429-1434.

[5]韓建平，呂西林，李慧. 基于性能的地震工程研究的新進展及對結構非線性分析的要求[J]. 地震工程與工程振動，2007，27(4):15-23.

[6]李應斌，劉伯權，史慶軒. 抗震設計中結構的性能等級與設計性能安全指數. 地震工程與工程振動，2004，24(6):73-78.

[7]龔胡廣. 基于性能的抗震設計方法及其在高層混合結構抗震評估中的應用[D]. 長沙：湖南大學，2006.