基于-性能的抗震设计

基于性能的抗震设计

基于性能的抗震设计是近年来提出并备受关注的一种新的抗震设计思想。下面先从回顾传统抗震设计思想入手，进而引出这种新的抗震设计思想的发展轨迹及其主要问题。

1 传统抗震设计思想及方法

考察目前世界各国抗震设计规，大多数国家均以“小震不坏、中震可修、大震不倒”作为抗震设计思想，我国2001年的新的《建筑抗震设计规》也是如此。为实现上述三水准抗震设防要求，各取了不同的设计方法，但均小异。我国是采用二阶段抗震设计方法来保障对大量的一般工业和民用建筑实现其三水准的抗震设防要求，同时以此方法为基础通过对建筑物进行抗震重要性分类（甲、乙、丙、丁四类）来区别不同类别的建筑并采取相应的修正方法来满足不同的抗震设防要求。这二阶段设计方法是：第一阶段进行强度验算，即取第一水准烈度（小震）的地震动参数，用弹性反应谱计算结构的弹性地震作用及效应，并与其他荷载效应组合，对构件截面进行抗震承载力验算，以保证必要的强度可靠度要求；再通过合理的结构布置和有关的构造措施，保证结构具有必要的变形能力。第二阶段进行弹塑性验算，即对特别重要的建筑和地震时易倒塌的结构，要按第三水准烈度（大震）的地震动参数进行薄弱层（部位）的弹塑性变形验算，并采用相应的构造措施以满足“大震不倒”的设防要求。

归纳起来，传统抗震设计思想及其方法具有如下五个特点：

（1）三水准抗震设计思想是以保障人民生命安全为基本目标的，因此与现代建筑所蕴含的经济、社会、政治等多方面功能无法适应。

（2）三水准抗震设计思想对结构的功能要求规定过于泛化，因而无法满

足投资者、业主或环境对其功能上的“个性”要求。

（3）三水准抗震设计思想对三级设防水准小震、中震、大震用不同的50年基准期的超越概率（分别为63.2%、10％和2％～3％）来定义，且以各地地震基本烈度为基础反映，在应用上不方便。

（4）二阶段抗震设计方法中对地震作用（包括弹性和弹塑性）的计算是以加速度反应谱作为其基本的表达方式，它无法解决地面运动长周期成分所引起的结构的速度和位移响应问题。

（5）二阶段抗震设计方法所采用的基于概率的极限状态设计思想其可靠度只局限在构件层次，且采用分项系数来保证可靠度。显然，由此得到的结构体系的可靠度会分布在一个很大的围。

基于现有建筑结构抗震设计规的缺陷及存在的问题,为了更好地满足社会和公众对结构抗震性能的多种需求,美国联邦紧急救援署(ＦＥＭＡ)和国家自然科学基金会(ＮＳＦ)资助开展了一项为期6年的行动计划,对未来的抗震设计进行了多方面的基础性研究,提出了基于性能的抗震设计理论,包括设计理论的框架、性能水准的定性与定量描述、结构非线性分析方法。日本、新西兰、欧共体、加拿大、澳大利亚相继开展了基于性能的结构抗震设计理论的研究。2000年11月15日,这些国家的地震工程研究人员汇集日本国土交通省建筑研究所,就基于性能的结构抗震设计理论的概念性框架、荷载与反应、抗震设计等主要容进行了学术交流。可以肯定地说,基于性能的结构抗震设计理论已成为这些国家地震工程研究的热门课题。我国在该领域的研究是近几年的事,主要集中在如何消化国外研究成果,这在新的《建筑结构抗震设计规》中得到了一定程度的体现。我国工程抗震界普遍认为,中国21世纪的抗震设计规应顺应国际发展,发展适合国情的基于性能的结构抗震设计理论。

2 基于性能的抗震设计概念

如上所述，传统的抗震设计思想及方法无法满足人们对结构抗震功能的深层次要求。为此，近年来各国学者纷纷关注如何更好的强化结构抗震的安全目标和提高结构抗震的功能要求，并已在理论研究乃至设计实践中实现了以下三个方面的转变：①以力分析为主→兼顾力和变形→全面考虑力、变形、损伤、耗能；

②线性分析→非线性分析；③确定性分析→可靠性分析。在此基础上，上个世纪90年代初，美国学者提出了基于性能的抗震设计概念，并立即引起了世界围同行的极大兴趣和广泛研究。它的思想核是：将抗震设计以保障人民生命安全为基本目标转化为在不同风险水平地震作用下满足不同的性能目标，从而通过多目标、多层次的抗震安全设计来最大限度保障人民生命安全和实现“效益－投资”的优化平衡以及满足对结构“个性”的要求。显然，这一思想是在总结传统设计思想的基础上以概念化的形式加以发展的，而并非是对传统设计思想的革命。事实上，传统的三水准抗震设计思想也具有基于性能的抗震设计思想的因素，只不过是处于初级的、低水平的、目标不明确的层面上而已。在基于性能的抗震设计这一概念明确提出以后，已有的研究成果（如前述的三个方面的转变）便可纳入其中，再加上更多系统的、有目的的研究，从而形成一个科学而又开放的体系。这对各国修改和完善抗震规具有很好的指导作用。目前，世界许多国家都对基于性能的抗震设计进行广泛而细致的研究，以期将其尽快的应用到新的抗震规中去。我国在新的2001年的抗震设计规中体现了一些这一思想。

3基于性能的抗震设计主要有以下四个方面的工作要做：

（1）地震设防水准的确定。设防水准的确定是抗震设计的一个基本问题。如前所述，传统的抗震设计依据的是小震、中震、大震三级设防水准；美国加州结构工程师学会（SEAOC）Vision2000委员会对基于性能的抗震设计提出了常

遇、偶遇、罕遇、极罕遇四级设防水准。不管采用几级设防水准，对各级水准的科学定义是关键。例如，对传统的三级设防水准，有学者建议从重现期角度去描述用以代替原来的从超越概率角度去描述小震、中震和大震，并且直接用地震动参数而不是烈度来对应各级地震水准。

目前,以我国为例,地震设防分为三个水准,即“小震”、“中震”和“大震”.它们是在全国基本烈度设防区划图的基础上,采用概率的方法确定的.一般认为在50年烈度概率分布属于极值Ⅲ型,基本设防烈度相当于在50年超越概率为10%的烈度,重现期为475年,相当于设防“中震”的水平.“小震”为50年超越概率为63.5%的烈度的地震,重现期为50年.而“大震”为50年超越概率为2%～3%的烈度的地震,重现期约为1641年～2475年.

对于基于性能抗震设计,为了实现多级设防标准,控制不同水平地震作用下结构的破坏状态,就需要在上面划分的基础上,细化地震设防水平,并且直接采用地震动参数(目前还只限于地震加速度)来确定.如文献[3 Smith K G.Ｉｎｎｏｖａｔｉｏｎｉｎｅａｒｔｈｑｕａｋｅｒｅｓｉｓｔａｎｔｃｏｎｃｒｅｔｅｓｔｒｕｃｔｕｒｅｄｅｓｉｇｎｐｈｉｌｏｓｏｐｈｉｅｓ:ＡｃｅｎｔｕｒｙｏｆｐｒｏｇｒｅｓｓｓｉｎｃｅＨｅｎｎｅｂｉｑｕｅ’ｓｐａｔｅｎｔ[Ｊ].ＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＳｔｒｕｃｔｕｒｅｓ,2001,23:72-81.]提出的基于性能抗震设计的地震设防水平如表1所示.从表中可以看出,水平一相当于我国目前的“小震”设防水平;水平三相当于我国目前的“中震”设防水平;水