结构抗震性能设计方法研究

结构抗震性能设计方法研究

摘要：随着我国建筑行业的不断进步，我国建筑的抗震能力也得到了一定的提高，但是，面对复杂的地震灾害，我国建筑还需要进一步提高抗震性能。本文将从以下几个方面来分析基于性能的结构抗震设计方法。

关键词：性能；结构；抗震结构；设计

一、前言

目前，我国建筑在抗震方面还存在很多不足，其中，抗震的性能设计就是一个至关重要的环节，所以，对基于性能的结构抗震设计方法进行研究和分析很有现实意义。

二、基于性能的结构抗震设计的概念

尽管目前基于性能的抗震设计得到国际上广泛的重视与研究，也得到了一些初步的成果。但是对于基于性能的抗震设计，现在还没有一个统一的定义。比较有权威性的是美国seaoc，atc和fema等组织给出的基于性能设计的描述。其中seaoc对基于性能抗震设计的描述是“性能设计应该是选择一定的设计标准，恰当的结构形式，合理的规划和结构比例，保证建筑物的结构与非结构的细部构造设计，控制建造质量和长期维护水平，使得建筑物在遭受一定水平地震作用下，结构的破坏不超过一个特定的极限状态”。atc对基于性能抗震设计的描述为“基于性能抗震设计是指结构的设计标准由一系列可以取得的结构性能目标来表示。主要针对混凝土结构并且采用基于能力的设计原理”。fema对基于性能抗震设计的描述为“基

于不同强度地震作用，得出不同的性能目标。在分析和设计中采用弹性静力和弹塑性时程分析来得到一系列的性能水平，并且采用建筑物顶点位移来定义结构和非结构构件的性能水平，不同的结构形式采用不同的性能水平”。

三、基于性能的抗震设计理论特点

pbsd的根本目的在于要求结构在整个寿命期内，在一定的条件下，花在抗震上的费用最少，即追求建筑物在服役期内的最佳经济效益—成本比。其主要的特点如下：

1、采用了多级设防目标

多级目标的设计理念是在不同地震设防水准下，能够有效地控制建筑物的破坏状态实现不同性能水平，使建筑物在整个生命周期内，在遭受可能发生的地震作用下，总体费用达到最小，因此它不仅注重结构的性能设计，也注重非结构构件和内部设施的保护。

2、引入投资—效益准则

pbsd理论的着重点从现行的仅注重结构安全可靠转变到全面注重结构的功能、安全及经济等多方面。根据投资—效益准则，进行费效分析，在可靠和经济之间选择一种合理的平衡，以确定最佳抗震设计方案，达到优化设计的目的。

3、具有更大的自由度

现行抗震设计需要依照规范按部就班，缺乏灵活性，结构设计人员处于被动状态。基于性能的抗震设计增加了业主与设计人员的交流，所有结构除了必须满足抗震规范规定的最低性能目标，体现结

构抗震设计的“共性”外，更加注重“个性”设计。

四、结构抗震性能设计方法

基于性能设计的基本思想就是使所设计的工程结构在使用期间

满足各种预定的性能目标要求，而具体性能要求可根据建筑物和结构的重要性确定。对于结构工程师来说，可明确描述结构性能状态的物理量主要有：力、位移（刚度）、速度、加速度、能量和损伤。基于性能的抗震设计重点考虑的是结构在大震作用下进入弹塑

性的状态。在弹塑性抗震分析方法中，非线性时程分析方法被认为是最可靠和最能被工程界所接受的分析方法，然而，这种方法前后数据处理工作繁冗，而且计算结果受到所选地震波的影响较大，该方法要求较高的专业理论水平和较丰富的工程经验，因此，它很难应用到以优化手段来寻求结构最佳设计的基于性能的抗震设计当中。基于性能的抗震设计常采用简化的方法，这些方法主要有：push-over分析方法、能力谱方法、位移影响系数法和n2方法等。

1、push-over分析方法

push-over：分析方法（又叫推覆分析方法）是进行结构在侧向单调加载下的静力弹塑性分析，即在结构分析模型上施加按某种方法模拟地震水平惯性力作用的侧向力并逐渐单调加大，使结构从弹性阶段开始，经历开裂、屈服直至倒塌破坏。这样可以分析结构的内力、承载力、变形特性和能量耗散及相互关系，了解塑性铰出现的顺序和位置以及可能出现的薄弱环节等。push-over分析方法不是新方法，但是它在基于性能的抗震设计理论和方法中受到很大的

关注，它是实现基于性能的抗震设计的关键之一。

push-over分析方法可以对结构的整体抗震性能进行评估，然而，单纯的push-over方法不能确定结构在某一特定地震作用下的响应，它必须首先与其它方法结合求得结构在设计地震作用下的结构目标位移，才能对设计地震作用下结构的抗震能力进行具体评估。

2、能力谱方法

能力谱方法（capacity spectrum method）是一种以push-over 分析方法和反应谱相结合的简化分析方法。这种方法首先通过对结构进行push-over分析得到结构基底剪力-顶点位移关系曲线，将该曲线转换得到等价单自由度体系的谱加速度-谱位移关系曲线（能力谱），再结合地震需求谱来求结构在设计地震作用下结构反应的目标性能点，然后再对结构进行第二次push-over分析，使结构达到目标性能点，由此来估计结构在设计地震作用下的弹塑性反应，这里的地震需求谱是根据单自由度体系在有效阻尼下拟加速度反应谱转换得来的，能力谱方法的原理和具体做法在atc-40里有比较详细的介绍。能力谱方法的实质是目前采用的基于力的设计方法加位移、变形的校核，它也被认为是push-over分析方法的重要发展。

3、位移影响系数法

式中，c0为等效单自由度（（sdof）体系与建筑物顶点位移的比例因子；c1为最大非线性位移期望与线性位移的比例因子；c2为滞回环状态对最大位移反应的影响系数；c3为p-△效应对位移反

应的影响系数；sa为在实际自振周期和阻尼内的谱反应加速度；te 为实际自振周期。

位移影响系数法的关键是如何将多高层建筑结构的多自由体系（mdof）转化为等效的单自由度体系（sdof），我国工程界对此还不熟悉，同时公式中的参数过多地依赖由实验得到的经验取法，其计算精度如何也有待商榷。位移影响系数法的另一个问题是：它只是一种衡量结构总体抗震水准的评估方法，无法提供具体楼层和主要构件的损坏情况。

4、n2方法

n2方法是fajfarl997根据ljubljana大学12年的研究成果，提出来的一种简化的非线性分析方法。n2中的n代表非线性分析（（nonlinear analysis），2代表两个数学模型（即一个多自由度体系和一个等价的单自由度体系）。这种方法利用一个代表结构一阶振型的等效单自由度双线性理想弹塑性模型来进行反应谱分析。由于局部弹塑性变形是推覆分析得到的，因此，通过park-ang的损伤模型，就可以确定局部和整体的损伤指数。

五、结束语

本文分析了基于性能的结构抗震设计的概念以及理论特点，进入分析了包括push-over分析方法、能力谱方法、位移影响系数法、n2方法在内的四种主要的抗震设计方法。由于目前在抗震性能设计方面还有很多工作需要完善，具体的设计中，应该结合建筑的需要和结构的特点进行深入研究，进行科学合理的设计。