建筑結構基于性能抗震設計的幾個問題

梅智凱

（常德市城鎮建筑規劃設計有限公司，湖南 常德 415003）

我國是地震多發國家，因此在建筑工程的設計施工中提高抗震性能就顯得尤為重要，但當前的建筑結構抗震設計普遍遵循“小震不壞、中震可修、大震不倒”的隨意性原則，沒有考慮到建筑結構的變形驗算、建筑結構的非線性和線性地震反應分析等重要過程。為了確保建筑物的抗震性能在面對不同等級的地震時能夠盡可能地減少人員傷亡，就需要在建筑結構中基于性能進行抗震設計，以實現預期的抗震目標。

1 淺析建筑結構中基于性能的抗震設計理論

1.1 現行抗震設計理念存在的問題

首先，設計參數不合理。現行的抗震設計一般都基于強度或承載力進行考慮，但實際上強度或承載力并不是建筑物結構保證抗震能力的唯一因素；其次，缺乏明確的性能概念。在現行的設計規范中，業主過于考慮經濟成本、設計人員過于追求單純的重力承載，導致對于抗震性能的目標概念描述模糊不明，為后續的施工埋下安全隱患；再者，對于損失的考慮不全面。現行的抗震設計理念只注重主體結構損壞帶來的損失，而忽視了非主體結構以及內部設施所帶來的損壞；最后，規范標準刻板、設計方法欠缺。設計人員受傳統設計規范標準的約束，缺乏主動性和創新性，在設計方法上過于保守，不利于新技術的應用。

1.2 基于性能的抗震設計理論

建筑結構中給予性能的抗震設計理論最早由美國專家于1992年提出，其內容包括：對建筑結構進行抗震計算分析，然后采取合理的構造措施確保建筑結構在滿足不同的抗震設防等級要求下達到預期的抗震目標。這一理論的實施需要業主和設計人員共同參與，以業主和社會所能承受的地震損失為核心對不同的結構制定不同的抗震性能目標。在此過程中既要體現出結構抗震設計的“個性”，又要滿足抗震規范中規定的最低性能目標以體現出“共性”，在此基礎之上結合“投資—收益”準則對建筑結構進行優化設計。

2 非結構構件性能以及基于性能的抗震設計理論框架

2.1 非結構構件性能在抗震中的作用

對建筑結構抗震性能的評價必須建立在建筑構件抗震性能模型之上，通常將抗震性能模型劃分為結構性和非結構性兩種，但后者為主要研究對象。非結構構件性能在抗震設計分析階段中的破壞和損失分析環節發揮著極其重要的作用，尤其在損失建筑的完成和修復、服務設備的構建、維修成本以及非致命損傷等內容上有突出貢獻，因此將其作為評估建筑工程抗震性能可靠性的一個關鍵指標。在建筑工程的設計施工中，考慮非結構構件的性能有助于區分不同原件的受損程度，同時對預期經濟和生命安全的設計方案進行計算，使得建筑工程在滿足抗震需求的同時實現效益最大化。

2.2 建筑結構基于性能的抗震設計理論框架

建筑結構基于性能的抗震設計理論框架主要包括兩個部分：第一，對結構抗震性能水準的劃分。首先要確保在發生最大地震的情況下，使用者的生命安全得以保障；其次要確保在常規地震時，盡可能地減少使用者的財產損失，同時保證建筑物實現震后快速恢復；最后要確保在大震發生時將一切損失控制在業主可以接受的范圍內。第二，確定合理的地震設防水準。需要考慮的內容包括：一個地區的設防投入、未來設計基準期內預期的經濟損失以及人員傷亡水平、地震強度和相關參數等，同時結合自身的經濟發展程度和抗震經驗來確定設防水準。

3 建筑結構基于性能抗震設計的主要內容

基于性能的抗震設計其主要目的是為了在不同水平的地震作用下滿足抗震性能的實際需求，而目前為止還沒有形成統一的設計方法，但其主要內容可從這幾方面進行考慮：

3.1 嚴格控制地震設防水平

我國對于地震設防的劃分主要集中在“小震”、“中震”和“大震”三個層面上，這一原則是建立在全國范圍內對地震烈度設防區劃圖的研究基礎上，運用概率計算而得出的結論。基于性能的抗震設計其核心在于多級設防標準的確立，以實現對不同地震作用下結構破壞狀態的嚴格控制，而這一過程需要對地震設防水平進行細致地劃分，并結合相關地震參數予以確定，但目前也僅限于地震加速度這一因素。現階段由于對地震研究的局限性，在建筑結構性能抗震設計方面仍主要以地震烈度和地震加速度為依據，但科技的不斷進步也加深了人們對地震速度、位移、持續時間以及頻率等的了解，并且逐漸分析出這些因素對建筑結構安全性產生巨大影響。有鑒于此，在控制地震設防水平時應綜合考慮多種參數對建筑結構性能的影響，從而體現在設計過程中。

3.2 準確劃分結構性能抗震水平

通過對國際上最近幾十年重大地震災害的分析，可以看出建筑物若只以生命安全為單一設防水準，則只能實現防止倒塌這一需求，對于結構破壞而造成的各種損失沒有足夠的重視。這就啟示建筑工程在基于性能抗震設計中既要保證生命安全，又要對建筑結構的破壞程度加以控制，因此在實際設計中應突出對不同設防水準的地震制定明確的結構性能要求。考慮到建筑結構的破壞狀態通常以其反應參數或相關定義的破壞指標來進行確定，因此可綜合利用這些參數或指標來劃分建筑結構性能，而現階段較為方便實用的一種劃分方法是基于位移（變形）來對建筑結構性能進行劃分。

3.3 確定結構反應性能參數

在利用結構變形來劃分建筑結構性能的基礎上，必須要結合合理的結構模型與恰當的分析方法來完成受力結構分析。該分析既包括低水平地震作用下結構的彈性分析，又包括強烈地震作用下的非線性受力分析。對于前者，通常采用較為成熟的彈性靜力或彈性動力分析手段；對于后者，通常采用彈塑性時程分析或彈塑性靜力分析方法。更進一步說，彈塑性時程分析方法不僅存在計算量大、分析過程復雜的缺點，在合理選擇地震功時程時也存在很大的難點，因此不便于廣泛應用；而彈塑性靜力分析方法能夠很方便地對建筑結構的層間位移、頂點位移以及某些構件截面變形等指標進行確定，因此被廣泛應用于國際社會。綜合來說，在建筑結構基于性能抗震設計過程中，除以上分析手段外也會采用三維的彈塑性分析方法，對地基與結構的相互作用、結構扭轉、非結構構件對結構的影響等一系列因素加以考慮，從而全面提升建筑結構的抗震性能。

4 建筑結構基于性能抗震設計的具體方法

在建筑結構基于性能抗震設計方法上雖然還未形成統一的認識，但主要思路體現在以下兩點：

4.1 基于傳統的設計

具體過程為：先基于地震作用的強度進行設計，然后通過變形驗算進行確定。該方法重在以量化的方式明確建筑結構性能水平，并對多級別水平地震作用進行全面考慮，在此基礎之上進行結構性能驗算，尤其要注意初期投資以及未來可能遭受的地震損失等種種因素，對此可靈活運用可靠度理論以及優化思想來進行確定。

4.2 基于位移的設計

該方法直接采用結構位移作為結構性能指標，具體思路為：首先根據不同的性能要求來確定目標位移，比如適用性或安全性，然后直接以目標位移作為設計變量，充分利用設計位移譜確定位移時的結構有效周期，從而分析得出結構的有效剛度，即此位移對應的割線剛度，再求出此時結構的基底剪力并展開結構分析，最后進行具體的配筋設計。該方法的好處在于設計初期就能明確建筑結構的性能水平，從而在實際施工時按部就班一次到位，避免重復性勞動以增加成本，同時該方法是采用結構對應最大位移來進行變形設計，因此更符合實際情況，可以有效提升建筑物的抗震性能。

5 結語

基于性能的抗震設計是建筑工程未來主流的抗震設計思想，其結構性能目標由業主、使用者以及社會多方進行選擇，比傳統的抗震設計方法更加精確和可預測，從而如期實現抗震目標。