基于性能的结构抗震设计方法研究

郑国群

20世纪80年代以来世界上发生的几次破坏性地震震害表明,按照现行抗震设计方法设计的结构物发生地震倒塌的概率很小,地震所造成的人员伤亡数量显著下降,但地震引起的经济损失却令人震惊。随着社会工业化进程的加快和物质文明的迅猛提高,业主或社会团体对一些重要结构物在地震中的性能提出了更高的要求,当前的抗震设计方法已经不能满足这种需求。

基于对现代地震经验和教训的深刻反思,美国学者于20世纪90年代初提出了基于性能的抗震设计(Performance-Based Seismic Design,简称PBSD)理论新概念,这是工程抗震发展史上的一个重要里程碑。

1 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”。

2 基于性能的抗震设计与现行抗震设计的比较

PBSD与当前抗震设计方法的主要区别如下:

1)PBSD使用多级性能目标进行抗震设计,而目前抗震设计方法尽管也提到“三水准设防”,实际通过“两阶段设计”实现,即“小震”作用下进行强度设计,“大震”作用下进行弹塑性变形验算,保证结构不发生倒塌,认为“中震可修”的性能目标隐含自动满足,本质上是以保证生命安全为目标的。2)PBSD的性能水准是对结构弹塑性反应的深刻认识基础上提出的,所使用的量化指标(如位移、塑性转角等)能够反映结构的真实破坏状态,可以在设计和性能评估中直接使用,从而保证抗震结构具有可靠的性能。而当前规范的性能参数比较模糊,在设计中不具有可操作性,使得我们无法可靠地了解抗震结构在实际地震中的性能。3)当前抗震设计方法是基于强度的抗震设计方法,而基于性能抗震设计目前还没有统一的设计方法,但不少学者提出采用基于位移的抗震设计方法。4)在基于性能抗震设计框架内,社会团体、业主可以根据结构的重要性及其预期经济损失,自主选择不同的性能目标。而在当前的规范框架内,只有设计人员参与结构抗震设防决策,业主并不了解结构的抗震性能,同时也限制了设计人员的创造性。

PBSD与当前抗震设计方法的联系如下:1)目前,尽管抗震设计方法有了很大的进步,计算方法也有了很大的改进。但鉴于抗震设计的复杂性以及我们认识的局限性,还不能够完全依靠计算来确保结构安全可靠。2)基于性能抗震设计与现行抗震设计都要针对建筑场地作地震危险性分析。相对于目前的地震危险性分析,基于性能抗震设计要求做得更细致、更具体。3)由于抗震设计中存在大量不确定因素,尤其是地震作用在强度、时间和空间都具有很强的不确定性,所以目前针对结构进行抗震设计时,考虑了地震作用、材料强度和计算模式的随机性。基于性能设计在针对整个建筑进行设计时,同样要考虑这些不确定因素。

3 基于性能的抗震设计方法

3.1 基于强度的抗震设计方法

当前的抗震规范大多采用了基于强度的设计方法,使用强度折减系数对弹性分析得到的地震力进行折减,用来进行结构构件的强度设计和验算,然后进行结构的延性设计,使得结构的延性能力高于和强度折减系数相应的延性需求值。新西兰学者Paulay提出的能力设计思想(Capacity Design Philosophy)对于桥梁的延性设计具有重要的理论意义,这一思想的基本概念为:合理地选择塑性铰预期出现的位置,并通过延性设计确保塑性铰的塑性转动能力,同时延性构件(如桥墩)和能力保护构件(如上部结构和基础)之间应具有不同的强度等级,以保证预先选择的耗能机制能够发挥作用,并确保能力保护构件处于弹性反应范围。

由于结构进入弹塑性阶段后,强度指标已经无法用来评价结构的破坏状态,同时,强度折减系数仅仅反映了对结构整体的延性要求,无法反映对各个构件的变形能力要求,因此基于强度的设计方法不能很好地实现基于性能的抗震设计思想。但桥梁在小震作用下一般要求保持弹性反应状态,对于这一阶段强度设计是可以适用的。

3.2 基于位移的抗震设计方法

在强震作用下,结构的位移指标比强度更能直接反映结构的真实破坏状态,因此20世纪90年代以来,基于位移的抗震设计方法(Displacement-Based Seismic Design,简称 DBSD)引起了各国学者的普遍重视,是实现基于性能的抗震设计思想的理想方法。基于位移的设计是一种在设计过程中以位移为前提的抗震设计方法,在基于位移的设计方法中,强度和刚度是设计的最终结果,而不是初始的设计目标。

3.3 基于能量的抗震设计方法

结构在地震中的动力反应是一个耗散地震输入能量的过程。1956年Housner最早提出能量分析概念,并研究了单自由度体系在地震作用下的极限设计,其后有研究者用能量谱来研究结构的弹塑性位移反应,提出了各种能量谱,如总输入能量谱、滞回耗能谱、等效速度谱及吸收能量谱等等。L.P.Yc(叶列平)等人研究了基于能量概念的弹塑性最大位移反应,对Newmark等人提出的等位移准则和等能量准则提出了理论解释。但当前基于能量设计方法还不成熟,还需要开展大量的研究。

3.4 基于损伤性能的抗震设计方法

对结构在地震作用下破坏准则的研究在20世纪80年代获得了新的进展,研究重点从钢结构转向到量大面广的钢筋混凝土结构,人们普遍注意到了地震作用下结构的刚度、强度和滞回耗能的退化以及变形和能耗(疲劳)之间的相互影响。国内外学者根据试验及理论分析已经发展了许多地震破坏损伤模型,使用损伤指数定量描述延性、滞回耗能等因素对结构破坏状态的影响,越来越多地在结构损伤评估、地震加固评估中得到使用。

4 基于性能的抗震设计的研究难点

在采用基于性能抗震设计思想制定建筑抗震设计规范时,一个首要的问题是目标性能水平的划分与确定。基于性能抗震设计要求实现多级设防,也就是在不同水平地震作用下,结构有明确的性能水平。通常采用结构变形来表示结构性能。考虑到地震作用和结构材料等不确定性因素,使得结构实现既定性能也是不确定的,故为了合理的确定结构目标性能水平,就应该考虑这些不确定因素,这在以前的研究中也提到了这一点。而怎样合理的确定这个目标水平,目前比较认可的方法是采用“投资—效益”准则来确定结构目标性能水平,使得在社会经济允许的情况下,在建筑物整个生命周期内,总的费用达到最小。

[1] 曲 慧,李振兰.基于性能的桥梁抗震设计方法[J].山西建筑,2009,35(13):294-295.

[2] 马宏旺,吕西林.建筑结构基于性能抗震设计的几个问题[J].同济大学学报(自然科学版),2002,30(12):1429-1434.

[3] 刘艳辉.基于性能抗震设计理论的城市高架桥抗震性能研究[D].上海:同济大学博士学位论文,2008.

[4] 郭 磊,李建中,范立础.直接基于位移的结构抗震设计理论研究进展[J].世界地震工程,2005,21(4):157-161.