基于性能的抗震设计理论与方法

基于结构性能的抗震设计理论与方法

1.1 问题的提出

1.1.1 现行规范的抗震设计方法

基本原理：基于力的设计方法

存在问题

●设防目标单一：主要是保证结构安全

●不能有效地控制地震造成的损失

1999年土耳其Izmit M7.4 死1.5亡万余人，伤2万余人1989年美国Loma Prieta M7.1 伤亡数百人，经济损失为150

亿美元

1994年美国Northridge M6.7 伤亡57人，经济损失为170

亿美元

1995年日本阪神M7.1 死亡5500多人，经济损失达

到创纪录的1000亿美元，震

后的基本恢复重建工作花费

2年，耗资近1000亿美元；1999年我国台湾集镇M7.3 死亡2405人，伤11306人，

经济损失近100亿美元

1.1.2 抗震设计新理论

基本原理：基于性能的抗震设计理论(Performance Based Seismic Design)

基于性能的抗震设计理论是20世纪90年代初由美国学者提出，按此理论设计的结构在未来的地震灾害下能够维持所要求的性能水平。

发展现状

基于性能的抗震设计作为一种更合理的设计理念，代表了未来结构抗震设计的发展方向，引起了各国广泛的重视。

美国

美国应用技术委员会ATC-33(1992)率先将基于位移的设计思想引入在用结构的抗震加固；

美国联邦紧急管理厅资助的国家地震减灾项目NEHRP提出了在用结构基于位移的抗震评估及加固方法，于1997年出版了《房屋抗震加固指南》(FEMA273/274)；

ATC-40(1996)和加州结构工程师协会1995年公布的SEAOC2000都引入了基于位移的抗震设计方法；

美国国际规范委员会(ICC)1997年出版的《国际建筑规范2000(草案)》[IBC2000(Draft)]强调了与结构位移设计有关的内容。

2003 年美国ICC ( International Code Council ) 发布了《建筑物及设施的性能规范》

日本

1995年开始进行了为期3年的“建筑结构的新设计框架开发”研究项目，并在研究报告“基于性能的建筑结构设计”中总结了研究成果。

2000年6月实行了新的基于性能的建筑基准法(Building Standard Law)。

欧洲

1998年欧洲CEB出版《钢筋混凝土结构控制弹塑性反应的抗震设计：设计概念及规范的新进展》，提出了用基于位移的方法评估在用结构的抗震性能和进行抗震加固设计，将构件塑性铰区的曲率转化为对混凝土极限压应变的要求，以此设计塑性铰区的约束箍筋，避免纵筋压屈并保证混凝土有能力达到要求的极限压应变。

欧洲混凝土协会(CEB) 于2003年出版了“钢筋混凝土建筑结构基于位移的抗震设计”报告。

澳大利亚则在基于性能设计的整体框架以及建筑防火性能设计等方面做了许多研究, 提出了相应的建筑规范(BCA 1996)。

中国

国家自然科学基金“八五”重大项目“城市与工程减灾基础研究”的有关专题就开始涉及到这方面的研究。

国家自然科学基金“九五”重大项目“大型复杂结构体系的关键科学问题和设计理论”的一些专题包含了这方面的部分内容。

中国建筑科学研究院工程抗震研究所联合国内部分高校和研究所开展了“我国2000年工程抗震设计模式规范”的研究，并于2000年

《建筑结构学报》第一期介绍了这方面的研究成果。

中国工程建设标准化协会标准《建筑工程抗震性态设计通则》（CECS160：2004）

目前正在修订的国家标准《建筑抗震设计规范》、《混凝土结构设计规范》拟纳入基于性能的抗震设计方法。

1.2基本概念和理论框架

1.2.1 基本概念

根据地震作用的不确定性（发生时间、强度和持时等）以及结构抗力的不确定性，对不同风险水平的地震作用，使结构满足不同的功能要求。

1.2.2 理论框架

1．地震风险水平(Hazard Level) -地震设防水准

未来可能作用于场地的地震作用的大小。或者说，应选择多大强度的地震作为防御的对象。

中国抗震设计规范GB50011-2001——三水准设防

中国地震风险水平

美国有关部门的研究报告FEMA 273、SEAOC Vision 2000

美国地震风险水平

2．性能水平（Performance Level）

建筑物在特定的某一地震作用下预期破坏的最大程度。

我国抗震设计规范GB50011-2001

小震不坏基本完好[θ] =1/550

中震可修中等破坏

大震不倒严重破坏[θ] =1/50

性能水平的定性描述以及量化指标

3．性能目标(Performance Objective)

建筑物应达到的性能水平。结构的性能目标是指在一定超越概率的地震发生时，结构期望的最大破坏程度。

我国抗震规范的目标性能是：小震不坏、中震可修、大震不倒。

基本性能目标：a，b，c，d

重要性能目标：e，f，g

特别性能目标：h，i

不可接受：o

FEMA 273考虑了三类目标性能：

基本安全目标：k+p

加强目标：k+p+(a,e,i,m)或(b,f,j,n)的任一个，

有限目标：k,p,c,d,g,h

SEAOC Vision 2000考虑了三类目标性能：

基本目标：1

主要/风险目标：2

安全临界目标：3

另外，0表示不可接受的目标。

ATC 40没有给出一般的性能目标，而很具建筑结构的重要性和用途等特点，给除了参考目标性能，如普通建筑的目标性能(结构部分)可取表5所示。

表5 ATC 40的性能目标