基于性能的钢结构抗震设计理论与方法

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彭观寿， 等： 基于性能的钢结构抗震设计理论与方法
） ； 江西省 !华侨大学高层次人才科研基金资助项目（ $ ! K ( * $ " 教育厅科技基金资助项目（ ） 。 # $ $ * O % # 第一作者： 彭观寿 男 % P Q *年#月出生 硕士研究生 ： ’ C 6 0 , 6 + M 2 !> 5 N @ 5 N A 2 . 7 收稿日期： # $ $ " O $ Q O # "
7 抗震设计理论的发展过程 随着人们对于地震动和结构动力特性理解的深 入， 结构抗震理论从最初的静力理论阶段、 反应谱理
） ， ， ( : , & + 2 9 : 3 5 A : 0 + 2 N# $ $ S（ % V + , N # # T + N P %
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科研开发
〕 ! 本取代了过去的静力震度法〔 。反应谱理论考虑
标的设计理念， 它所确定的抗震功能目标既要保证生 命安全又要考虑到经济财产损失。因此， 在设计中应 当进行全面费用分析， 选择经济效果最佳的抗震设计 方案。结构功能目标可 9 < > 理论更强调个性设计， 按实际需要、 用户要求、 投资能力选择不同等级的设 防目标， 并有利于减震隔震技术和新结构材料的推广 应用。同时， 结构的抗震能力是按选定的抗震功能目 标进行设计的， 具有可预见性。9 < > 的理论框架包 括地震设防水准、 结构抗震性能目标和结构抗震设计 方法等三个方面。基于性能的抗震设计方法是 9 < > 理论的重要内容， 其目前的设计程序延续了现行的结 构设计体系， 强调结构位移和非线性静力分析， 实际
， 〕 ’ ) 上还是基于位移的抗震设计〔 。
! " # 基于位移的设计方法 基于位移的抗震设计大致可分为按延性系数设 计的方法、 能力谱方法和直接基于位移的方法。 ）按延性系数设计的方法。其实质是通过建 * 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。 ）能力谱方法。此方法最早是由 A " 2 0 0 4 5 6等 提出， 其实质是目前采用的基于力的设计方法加位 移变形的校核。该方法首先通过静力弹塑性分析 （ ）计算基底剪力 !F 与顶点位移 C : 1 / D 0 2 5 6 5 ( : = : B E 然后将 !F&" " 6 曲线， 6 曲线转换为谱加速度# 5与 谱位移 # ; 曲线：
以保证生命安全为单一设防目标的“ 小震不坏、 中震可修、 大震不倒” 的抗震设防水准， 尽管可预期 做到大震时主体结构不倒塌以保证生命安全， 但仍 可能导致中小地震作用下结构丧失正常使用功能而 % P Q P 年美国加州洛马 ） 普里埃塔（ R + C 6J 3 0 : 6 S N %级地震造成的经济损失 ） 达S $亿美元； % P P *年%月美国加州北岭（ T + 3 : > 3 0 @ . " N P级地震所造成的经济损失达 ! $ $ 亿美元； % P P U 年日本（ 阪神） S N # 级地震所造成的经济损失则高 达%$ $ $亿美元； % P P P 年 P 月我国台湾省南投县大 也造成 ** 地震（ S N " 级） $ $ 亿新台币的经济损失。 随着社会经济的发展和城市信息化水平的提高， 一 旦发生地震， 所造成的经济损失和人员伤亡越来越 难以估量， 现行的抗震设计理论在减少地震造成的 经济损失方面也显得越来越不适应。在此背景下， 美国学者在# $ 世纪P $年代初期率先提出了基于性 能（ 性态） 的抗震设计理论（ J 3 / + 3 C 6 2 A D K 6 9 @( 0 9 D
#! ， ， 简称 J 并被认为它是未来抗 C 0 AL 9 0 2 K ( L） . 震设计的主要发展方向。 〔，〕 〕 % 造成巨大的财产损失〔 。如：
论阶段， 发展到动力理论阶段和目前的基于性能的 抗震设计理论阶段。每个阶段的形成、 特色和发展 速度， 都标志着人类科学技术的进步和对自然规律 认识的加深。 静力理论阶段（ 。初期以 # $世纪 % $ O * $ 年代） 佐野利器的水平静力抗震理论为代表， 认为结构物 所受地震作用可以简化为作用于结构上的水平等效 静力， 其大小等于建筑物的重量乘以一个与结构特 性无关的地震系数。 日本出 # $ 世纪 # $O! $ 年代， 现了刚柔理论之争， 并提出了消震、 隔震、 减震、 能量 耗散理论和抗震设计的能量理论， 对当时的抗震理 〔 〕 论研究起了重要推动作用 * 。 反应谱理论阶段（ 。比奥 # $ 世纪 * $ O " $ 年代） 特（ ） 在# K 0 + : $世纪* $ 年代初明确提出了从地震动 加速度记录中计算反应谱的概念。反应谱是指将地 震波作用在单质点体系上， 求得的位移、 速度或加速 度等反应的最大值与单质点体系自振周期间的关 系。豪斯纳在# $世纪U $年代初首先采用反应谱作 为抗震设计理论， 到# 这一理论已基 $世纪" $年代，
!F （ ） * 5 ! $* " 6 （ ） # * F ;G ! * ! 式中， ! * 和 $* 分别为第一振型的振型参与系数和 模态质量。 # 5G & " ，然后确 接着建立需求谱曲线： # # ;% （ ） " " 5 定结构的等效阻尼比， 最后检验结构的抗震能力。
）直接基于位移的方法。直接基于位移的抗 H 震设计是根据在一定水准地震作用下预期的位移来 计算地震作用， 进行结构设计， 以使构件达到预期的
! " # $ % #&’ ( ) " * + ’ , " -, " . , & . )" , . / (0 1 " % # 2’ ( -& " 0 1 % $ % #, 0 " " 3, 0 # 4 ) 0 4 # " ,
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了结构物的动力特性（ 自振周期、 振型和阻尼） 所产 生的共振效应。但是， 在设计中仍然把地震惯性力 看作是静力， 因而只能称为准动力理论。反应谱理 论在" 到 #世纪! # 年代中是以弹性理论为基础的， 结构非线性反应研究盛行的" #世纪$ #年代出现了 极限设计的概念， 以纽马克为首的研究者们提出了 用“ 延性” 来概括结构物超过弹性阶段的抗震能力， 并指出在抗震设计中， 除了强度和刚度之外， 还必须 重视加强延性， 从而使抗震设计理论进入非线性反 应谱阶段。随机振动理论在" #世纪$ #年代已有初 步发展， 它不但为振型组合提供了普遍接受的方法， 更重要的是为后来发展的抗震设计概率理论奠定了 基础。由于对地震动的认识不深， " # 世纪 $ # 年代 在国际上发生了一场关于场地条件对反应谱形状影 响的争论。我国研究者比较全面地总结分析了与此 问题有关的震害经验和地震动观测数据， 提出的调 整反应谱的方法， 已逐渐被更多的国家所采用。 动力 理 论 阶 段 （ 。 " #世纪% #&’ # 年 代） ( ) % * 年， 美国圣费尔南多地震的震害使人们认识到了“ 持 时” 的重要性， 从而推动了按地震动加速度过程计算 结构反应过程的动力法的研究。动力法把地震作为 一个时间过程， 选择能反映地震和场地环境以及结 构特点要求的地震加速度时程作为地震动输入， 将 建筑物简化为多自由度体系， 计算每一时刻建筑物 的地震反应。动力法与反应谱法相比具有更高的精 确性， 并在获得结构非线性恢复力模型的基础上， 很 容易求解结构非弹性阶段的反应。通过这种分析可 以求得各种反应量， 包括局部和总体的变形和内力， 也可以在计算分析中考虑各种因素， 如效应、 多维输 入和多维反应， 这是其他分析方法所不能考虑的。 ! 基于性能的抗震设计方法 美国加州大学伯克利分校 " #世纪) # 年代初， + , , . / 0 1 ( 0率先提出了基于性能的结构抗震设计 概念（ ， ， 他 0 2 3 / 2 4 5 6 7 0 8 9 5 : 0 ;< 0 = : 4 = 7> 0 : = 6 9 < >） ? 提出基于位移的抗震设计要求进行结构分析， 使结 构的塑性变形能力满足在预定的地震作用下的变形 要求， 即控制结构在大震作用下层间位移角限值， 其 核心思想是从总体上控制结构的位移和层间位移水 准。该理论被认为是未来抗震设计的主要思想， 是 " *世纪世界抗震设计规范的大潮流。我国学者已 认识到这一设计理念的变化， 开始了有关剪力墙、 框 架构件等结构的变形容许值的研究， 提出了基于性 ! #
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