基于性能的結構抗震設計方法淺談

田紫君

摘 要：地震作為突發性和破壞性都極強的自然災害，給人類社會造成了嚴重危害，表明目前的結構設計思想和方法還有許多不足之處。本文簡述了基于性能結構抗震設計理論的提出和含義，闡明了該理論的實施方法和主要內容，包括地震設防水準、結構性能水平以及結構抗震目標，對比分析了國內外對各內容的定義和劃分方式，并討論了目前存在的問題。

關鍵詞：基于性能 結構抗震設計 地震設防水準 結構性能水平 結構抗震目標

中圖分類號：TU318.1 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2018）05（c）-0067-03

近年來連續發生在人口稠密地區的幾次破壞性大地震，如中國汶川地震（2008，M8.0）、智利大地震（2010，M8.8）、東日本大地震（2011，M9.0）等，都造成了慘重的生命和經濟損失，迫使工程界重新審視現有的結構抗震設計理念和方法，改進和完善基本理論和設計思路，以期盡量減少地震給人們帶來的危害，而基于性能的結構抗震設計應運而生[1]。

1 基于性能抗震設計理論的提出及含義

美國放眼21世紀委員會（Vision2000 Committee）于1995年首次提出了基于性能的抗震設計理念，初步構建了基于性能抗震設計的框架[2]。在隨后的兩年，美國又相繼提出4種以性能分析為基礎的結構抗震設計方法和基于性能的地震工程，并得到廣泛重視和采納。日本也較早開展了基于性能抗震設計的研究，并先后啟動了“新型建筑結構體系開發”項目和修訂《建筑標準法》。我國在1996年召開的中美抗震規范學術討論會上，將基于性能抗震設計與結構優化設計相結合，建立了基于性能的抗震優化設計方法[3]。同時有學者建議，我國未來的抗震設計要與國際同步發展，開拓與我國國情相適應的基于性能抗震設計理論[4]。

基于性能抗震設計的關鍵在于“性能”，它與結構的破損程度相關，而這種程度可以由結構的反應參數，如力、位移、應力、能量等定量指標來描述，并且與社會需求和經濟狀況等因素有關。也就是說，基于性能抗震設計是使結構在設計和使用基準期內，針對不同水平的地震作用都具有明確的性能水準，并使結構在全壽命周期內總費用最小。

2 基于性能抗震設計理論的主要內容

基于性能的結構抗震設計以“多級抗震設防”思想為基礎，針對不同的抗震設防水準，提出與之相應的結構性能水平。設計師根據業主的需要，使得結構在未來可能遭受的不同強度的地震作用下都具有明確的抗震性能，結構的破壞程度能為業主所接受。

2.1 地震設防水準

地震設防水準是一系列具體的地震動參數，如地震加速度、速度或位移時程曲線，加速度反應譜等，需要根據場地條件和結構設計等級來確定，同時應考慮由社會經濟條件決定的設防目標和設計基準期內預期的總損失。由于地震是一個隨機事件，因此將基準期內的超越概率轉換為重現期來表達[5]。根據概率統計方法，我國現行抗震規范采用“小震”“中震”及“大震”3個設防水準[6]，如表1所示。

美國Vision 2000和聯邦緊急救援署都給出了不同的設防水準劃分，如表2、表3所示。表2中，水準1、3、5分別對應表1中的我國設定的3個設防水準，但是美國的劃分更細化。

2.2 結構性能水平

確定了地震設防水準之后，需要考慮在不同設防水準下結構構件或非結構構件的最大破壞程度，這就是結構性能水平。對其劃分應綜合考慮場地條件、結構重要性和使用要求、設備與裝修費用、震后損失和修復以及社會經濟條件等因素的影響[7]。目前，各國采用的結構性能水平劃分如表4所示，同時我國在表中所示的5個等級基礎上又確定了3個基本性能水平，即“小震不壞”“中震可修”和“大震不倒”。

從表4可以看出，對結構性能水平的劃分僅具有定性意義，缺乏具體明確的量化標準，使得實際設計時很難把握結構設計的“度”。由于結構性能取決于其破壞狀態，而破壞狀態又可由結構的反應參數表征，所以結構性能的量化指標可以采用力、變形、應變、能量等反應參數來確定。

2.3 抗震性能目標

結構抗震性能目標是在已確定的地震設防水準和結構性能水平基礎上，根據結構類型、建筑造價、地震損失、社會效益以及業主的承受能力等因素組合而成的一個目標系列，從而確定結構在不同強度地震作用下的最大破壞狀態應保持在何種水平。性能目標應以多級設防為原則，破壞狀態水平的設定直接關系到結構設計的可行性。目標定得過高，即使提高了結構的安全性，卻也增加了造價；目標定得過低，則降低了結構安全性并增加了維護成本。表5、表6分別給出了日本建筑研究院和FEMA的目標劃分。

除此之外，還可以采用“投資―效益”準則來劃分。設計者不單要考慮技術因素，還要考慮社會、經濟、政治等因素，從而在設計基準期內，當遭受可能發生的地震作用時能有效控制結構的破壞狀態，并使得結構在初始造價和未來的損失期望達到一種平衡：E=B-C-D=最大，其中E為工程項目的經濟效益；B為投資效益，包括工程項目建設期和建成后形成的直接與間接收益；C為項目投資；D為投資損失。

3 存在的問題

3.1 地震設防水準不統一

目前，各國規范對地震設防水準的界定沒有統一標準，劃分的等級數量也不同。表7中顯示，我國規范給出的小震設防水準相對偏低，可能導致第一階段的抗震設計中設計強度和彈性變形偏小，造成由此設計的結構不滿足常遇地震和罕遇地震的性能水平；而中震和大震則與美國規范基本一致。

3.2 性能水平和目標不夠量化、細化

目前基于性能的結構抗震設計主要采用直接基于位移的設計方法，以位移作為性能指標。然而在三水準設防中，已經對“小震不壞”和“大震不倒”限定了相應狀態下的層間位移角，但對“中震可修”沒有變形規定，只有定性描述，這就需要對結構在較大范圍的中震作用區域的性能指標進行量化和細化。同時，有學者認為單純的位移指標不能全面反映結構的抗震性能，必須使用多個指標綜合考量，但指標過多又會使結構設計異常復雜，還可能出現各性能指標不能同時得到滿足的情況。

3.3 側向力分布模式問題

當采用靜力彈塑性分析方法進行結構抗震設計時，需要確定模擬水平地震作用的側向力的分布模式。盡管有不少國內外學者對側向力的分布模式進行了研究和改進，但仍有很多問題沒有解決，如有的側向力分布模式過于簡單，無法考慮地震作用下結構高振型的影響，有的又過于復雜，難以在實際工程中應用，或者對于不規則結構缺乏合理的側向力分布模式。

4 尚未形成完整、系統的理論體系

盡管目前對于基于性能抗震設計理論的研究已經取得了顯著成果，但這些成果都偏向于某一方面。例如：對基于“投資―效益”準則的結構性能目標進行優化；對能力譜法中的彈塑性需求譜曲線進行改進等。但是從整體角度來看，由于各國學者在研究中的深入點不同，或者采用的假設條件和研究方法不同等因素，基于性能的抗震設計尚未形成一個系統、全面的理論體系，而這些都需要進行大量的研究工作來解決。

參考文獻

[1] 郭亮，張強強.對建筑結構設計中抗震設計的研究[J]. 建筑設計，2018，45（3）：31-32.

[2] SEAOC Vision2000 Committee. Performance-based Seismic Engineering of Building[A]. Sacramento，California， USA[C].1995.

[3] 譚繼可，俞盛，賈善坡.基于性能的抗震設計研究現狀[J].河南城建學院學報，2016，25（1）：20-26.

[4] 張樺.基于性能的抗震設計發展及研究現狀[J].四川建材，2016，42（4）：53-56.

[5] 胡聿賢.地震工程學[M].2版.北京：地震出版社， 2006.

[6] 龔思禮.建筑抗震設計手冊[M].2版.北京：中國建筑工業出版社，2002.

[7] 鄧添.基于性能的建筑結構抗震設計分析[J].山西建筑，2017，3（2）：218.

[8] FEMA356.Prestandard and Commentary for the Seismic Rehabilitation of Buildings[R]. Washington DC： Federal Emergency Management Agenc，2000.