基于性能的抗震設(shè)計方法研究

龐 輝

（北華大學(xué)汽車與建筑學(xué)院，吉林 吉林 132000）

0 引言

地震造成的損失巨大，給社會的經(jīng)濟和人們的心理都帶來了很大的負面效應(yīng)，超出了人們所能接受的能力。“小震不壞、中震可修、大震不倒”的抗震設(shè)防目標，雖保障了人的生命安全，但隨著人口城市化進程的加快和科學(xué)技術(shù)發(fā)展的今天，已不再是一種完美的設(shè)計理念。

基于對上述問題的深刻反思，美國學(xué)者Bertero 在20 世紀90 年代初期，首先提出了基于性能的抗震設(shè)計理論的新概念。這個理念的提出，得到了各國學(xué)者的廣泛關(guān)注和興趣。并展開了多方面的研究。目前，美國、新西蘭、日本和歐洲等國家都把基于性能的抗震設(shè)計理論作為改進抗震設(shè)計方法、完善抗震設(shè)計規(guī)范的重要研究課題。

基于性能的抗震設(shè)計理論實際上是一個總體設(shè)計思想，主要指結(jié)構(gòu)在受到不同水平地震(不同概率地震)作用下的性能達到一組預(yù)期的性能目標。這一理論的提出，是結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計思想的一次重大變革，它使抗震設(shè)防目標由傳統(tǒng)的以生命安全為單一設(shè)防目標轉(zhuǎn)為綜合考慮生命安全與財產(chǎn)損失兩方面的具體要求，強調(diào)了“個性”設(shè)計。目前，普遍的觀點認為，基于性能的抗震設(shè)計理論主要包括以下內(nèi)容：確定設(shè)防水準，劃分結(jié)構(gòu)的性能水平，選擇合適的性能目標確定抗震的性能準則，研究抗震性能的分析方法，研究基于抗震性能的設(shè)計方法，制定基于性能的抗震設(shè)計規(guī)范。

1 基于性能的抗震設(shè)計方法

基于位移抗震設(shè)計方法

為實現(xiàn)性能抗震設(shè)計思想，可以借助多種方法，如傳統(tǒng)的基于強度的設(shè)計方法、基于位移、能量、損傷的設(shè)計方法等。但就目前的研究水平而言，把性能設(shè)計應(yīng)用到實際設(shè)計中主要有兩種方法[1-2]，分別是基于強度的抗震設(shè)計方法和基于位移的抗震設(shè)計方法。

與傳統(tǒng)的設(shè)計相比，基于性能的抗震設(shè)計方法從根本上改變了設(shè)計過程。主要不同是：這種設(shè)計思想直接以目標位移作為設(shè)計變量。采用基于位移的抗震設(shè)計方法，可以在結(jié)構(gòu)設(shè)計初始就明確結(jié)構(gòu)的性能設(shè)計水平，并且使設(shè)計的結(jié)構(gòu)性能正好達到目標性能水平，而不是傳統(tǒng)設(shè)計時給出一個限值。采用結(jié)構(gòu)對應(yīng)的最大位移進行變形設(shè)計，這與結(jié)構(gòu)實際情況更為相符。

基于性能的抗震設(shè)計是指：根據(jù)結(jié)構(gòu)的重要性和用途，提出不同的抗震設(shè)防水準和預(yù)期的性能目標，使設(shè)計的結(jié)構(gòu)在未來地震中具備預(yù)期功能，從而使結(jié)構(gòu)在整個生命期內(nèi)，在遭遇可能發(fā)生的地震作用下，總的費用達到最小。當(dāng)前，國內(nèi)外對基于性能的抗震設(shè)計開展的研究工作主要集中在以下幾個方面：

1）多級抗震設(shè)防水準的確定

抗震設(shè)防水準是指工程設(shè)計中，根據(jù)工程所在的地震環(huán)境和已定的設(shè)防目標，并考慮具體的社會經(jīng)濟條件來確定采用多大的設(shè)防參數(shù)，或者說應(yīng)采用多大的強度作為防御的對象[3-4]。基于性能的抗震設(shè)計要求能預(yù)期結(jié)構(gòu)在未來可能發(fā)生的地震作用下的抗震性能，即在抗震設(shè)防水準和性能水準之間建立起某種對應(yīng)關(guān)系，因此，抗震設(shè)防水準的確定在基于性能的抗震設(shè)計中占有重要地位。

2）多級抗震性能水準的確定

性能水準，是指結(jié)構(gòu)在某一特定抗震設(shè)防水準下預(yù)期破壞的最大程度。基于性能的抗震設(shè)計趨勢是將結(jié)構(gòu)構(gòu)件、非結(jié)構(gòu)構(gòu)件等多種因素考慮進去，結(jié)構(gòu)、非結(jié)構(gòu)構(gòu)件的破壞及其起的后果都被認為是性能水準。由此劃分的抗震性能水準要更具體細致，使人們的選擇范圍更靈活。

3）可行的結(jié)構(gòu)設(shè)計與分析方法

基于性能的抗震設(shè)計要求建立適合于在多級抗震設(shè)防水準下實現(xiàn)多級性能水準的結(jié)構(gòu)設(shè)計與分析方法。

性能水準有兩種彼此關(guān)聯(lián)的表示方式：一種是定性的描述，另一種是定量的描述。前者主要針對非專業(yè)人員，如關(guān)于破壞程度、運營情況等的描述；后者主要針對專業(yè)人員，用于設(shè)計、維修、評估等，采用的指標通常為位移、延性系數(shù)等。

基于性能的抗震設(shè)計思想是一種基于投資和效益平衡的多級抗震設(shè)防思想，即要求在不同水準的地震作用下，根據(jù)結(jié)構(gòu)的重要性、用途或業(yè)主的要求確定。同傳統(tǒng)的抗震設(shè)計思想相比，基于性能的抗震設(shè)計思想主要有以下幾個特點：

1）性能目標的多級性，即在不同的地震設(shè)防水準下，結(jié)構(gòu)應(yīng)滿足不同等級的性能要求；對重要的結(jié)構(gòu)，其性能目標要高于一般結(jié)構(gòu)。

2）性能目標的可選性。在基于性能的抗震設(shè)計中，可以在滿足規(guī)范的前提下，根據(jù)結(jié)構(gòu)的用途及業(yè)主、使用者等的特殊要求，由工程師同業(yè)主、使用者共同研究制訂結(jié)構(gòu)的性能目標。這樣，不僅可以滿足不同業(yè)主提出的設(shè)計要求，發(fā)揮研究者、設(shè)計者的創(chuàng)造性，同時也有利于新材料和新技術(shù)的應(yīng)用。

3）結(jié)構(gòu)抗震性能的可控制性。在基于性能抗震設(shè)計中，在設(shè)計初始就明確結(jié)構(gòu)的性能目標，并且使通過設(shè)計，使結(jié)構(gòu)在各級地震作用的反應(yīng)能夠達到預(yù)先確定的性能目標，因而結(jié)構(gòu)的抗震性能是可以預(yù)測和控制的。

結(jié)構(gòu)抗震性能目標是針對某一地震設(shè)防水準而期望達到的抗震性能等級。結(jié)構(gòu)抗震性能目標的建立需要綜合考慮結(jié)構(gòu)本身和社會效應(yīng)的諸多因素。Vision2000 委員會建議將結(jié)構(gòu)抗震性能目標分為三個等級：基本設(shè)防目標、重要設(shè)防目標和特別設(shè)防目標。基本設(shè)防目標是一般建筑設(shè)防的最低標準；重要設(shè)防目標是醫(yī)院、公安消防、學(xué)校、通訊等重要建筑設(shè)防的最低標準；特別設(shè)防目標是含核材料等特別危險物質(zhì)的特別重要的建筑的最低設(shè)防標準。

2 結(jié)論

基于性能的抗震設(shè)計理論的研究是一項有重要意義的課題，它的研究與發(fā)展有待國內(nèi)外土木工程界和地震工程學(xué)界的共同努力。目前需要研究的問題有：

（1）對結(jié)構(gòu)性態(tài)進行準確的評估；

（2）結(jié)構(gòu)性態(tài)的明確說明；

（3）新型結(jié)構(gòu)和特殊結(jié)構(gòu)(如隔震或耗能減震結(jié)構(gòu))的基于性態(tài)設(shè)計的研究。

［1］PriestleyM.J.N.Performance based seismic design12th Word Conference on Earthquake Engineering，Auckland，2000，Paper No.2831[Z].

［2］Fajfar，P.krawinkler，Helmut.Seismic design methodologies for the next generation of codes：Proeeedings of the Intemational Workshop on Seismic Design Methodologies for the Next Generation of codes[Z].Bled，Slovenia，June1997.

［3］張新培.基于性能的抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計理論的若干進展[J].四川建筑科學(xué)研究，2001(1)：34-35.

［4］馬玉宏，謝禮立.考慮地震環(huán)境的設(shè)計常遇地震和罕遇地震的確定[J].建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報，2003，23(1)：43-47，67.