基于结构性能抗震设计理论综述

基于结构性能的抗震设计理论综述摘要：基于结构功能的设计理论是90年代国际上提出的新概念，是抗震设计理念上的一次变革。本文首先阐述了基于结构性能的设计理论产生的背景、研究内容、设计流程；然后重点介绍了目前已被世界地震工程界广泛应用的基于位移的设计方法；最后就其研究和应用前景进行了展望。

关键词：结构性能抗震设计位移位移延性系数能力需求曲线

discuss on aseismatic design based on structural performance

abstract: aseismatic design based on structural performance was put forward firstly in 90’s of last century. it was a reform of design ideas . this paper introduced the background、content and process of the design theory. the method of design based on displacement which has been applied widely was emphasized. at the end of this paper, the development of the design was analysed.

keywords: structural performance, aseismatic design, displacement, modulus of displacement ductibility, curve of capability demand.

前言：

传统的抗震设计方法是以保证人的生命安全为原则的设计方

法，依此思想设计的各种建筑物在地震作用下基本能够保证生命安全。近年来世界各国发生的大地震，特别是1989年美国loma prieta、1994年美国northridge和1995年日本阪神地震的震害都表明，按现行建筑抗震规范设计的结构总体上基本保证了“大震不倒”的安全目标，但是造成的经济损伤极其严重。为了强化结构抗震的安全目标和提高结构抗震的功能要求，美国学者bertero等人提出了基于性能的抗震设计思想和方法（bertero，1996；seaoc，vision 2000 committee，1995）。随后这种抗震设计思想引起了整个地震工程界极大的兴趣。从各国抗震设计规范修订的动向看,可以说基于性能的抗震设计思路(performance based seismic design 简称pbsd)是21世纪世界抗震设计规范的大潮流，21世纪的地震工程将是基于功能的地震工程。

1dbsd设计理论

1.1 pbsd理论的研究内容

基于功能的结构抗震设计方法是以结构抗震性能分析为基础的设计方法。美国加州结构工程学会的放眼21世纪委员会(vision 2000 committee seaoc 1995)明确提出了pbsd的理论框架，它应包括地震设防水准、结构抗震性能水准、结构抗震设计方法等三方面内容。

1.2地震设防水准的划分

pbsd 理论的实质就是要控制结构在未来可能发生的地震作用

下的抗震功能,地震设防水准是指未来可能作用于场地的地震作用

的大小。vision 2000 committee大会宣言称，基于性能的结构抗震设计理论追求能控制建筑物经历现场发生的所有地震波谱的破坏水准，为了实现这一方法，需要根据不同重现期选择所有可能发生的、对应不同等级的地震动参数的波谱，这些具体的地震动参数称为“地震设计水准”。放眼21世纪委员会在关于结构功能设计的研究报告中,建议设防地震等级由表一所示：

1.3结构抗震性能水准的划分及设防目标的建立

结构抗震性能水准表示建筑物在特定某一地震设计水准下预期破坏的最大程度。结构、非结构构件以及因它们破坏引起的后果，主要用结构破坏程度、结构功能和人员安全性来表达。结构在地震作用下的性能可以表现为位移、能量和地震损伤，性能水准应该表达为量化指标、工程术语,以便于工程设计和评估。结构抗震性能等级由表二描述。

结构抗震设防目标是针对某一地震设防水准而期望达到的抗震性能等级。美国学者建议，将结构抗震设防目标分为三类:基本设防目标、重要设防目标、特别设防目标。结构抗震设防目标与设防地震等级、抗震性能等级的关系（性

态控制图）见图一。

表一 vision 2000中的设防地震等级的划分

表二结构抗震性能等级及其划分情况

1.4dbsd理论的三种方法

基于位移的抗震设计大致可归纳为:按延性系数设计的方法、能力谱方法和直接基于位移的方法。

1.4.1按延性系数设计的方法

延性通常包括结构延性、构件延性和截面延性三个层次。结构延性可以用顶点位移延性(总体延性)或层间位移延性(楼层延性)来表达；构件延性与塑性铰区长度和截面延性等有关；截面延性与其几何形状、混凝土强度、轴压比、纵筋含钢率、含箍特征值等因素有关。对于一个给定的结构，截面的延性系数大于构件的延性系数；构件的延性系数大于结构的延性系数，两者的关系与结构的塑性铰机制等有关。对于梁铰机制的框架结构，总体延性系数为3～5时，楼层延性系数可能为3～10，而梁构件的延性系数可能为5～15或更大一些。

按延性系数设计方法的实质，是通过建立构件的位移延性系数或截面曲率延性系数与塑性铰区混凝土极限压应变的关系，由约束箍筋来保证核心混凝土能够达到所要求的极限压应变，从而使构件具有要求的延性系数。这种方法在新西兰等国家得到应用,并常称之为“能力设计”方法。

用位移延性系数描述构件的弹塑性变形能力的最大问题是如何定义结构或构件的屈服位移和极限位移,不同的定义得到的延性系数可能相差很大。

1.4.2 能力谱设计法

能力谱方法也可以称为非线性静力方法(nonlinearstaticprocedure)或静力弹塑性分析(push over analysis)，它是1975年由freeman等提出来的，后来由众多学者如fajfar等的发展、完善了能力谱法。这种方法目前仍处于不断的完善与改进之中。各研究者提出的计算方法不尽相同，但没有本质差别。其步骤如下:

按规范进行结构承载力设计；

对结构进行非线性静力分析。用单调增加水平荷载作用下的静力弹塑性

分析(push over alysis)，计算结构的基底剪力 -顶点位移曲线。

（3）建立能力谱曲线对不很高的建筑结构，地震反应以第一振型反应为主

可用等效单自由度体系代替原结构。因此，可以将-曲线转换为谱加速度 -谱位移曲线，即能力谱曲线:

式中、分别为结构第一振型的振型参与系数和模态质量。

建立需求谱曲线若采用规范的加速度反应谱作为结构的地面运动输

可以用式将其转换为-谱曲线,即需求谱曲线:

（4）确定结构的等效阻尼比或等效延性比

检验结构的抗震能力将能力谱曲线和某一水准地震的需求谱画在同一