基于性能的结构抗震设计研

河南省城市规划设计研究总院有限公司 夏 磊

开封建业森林半岛置业有限公司 马冰冰

基于性能的结构抗震设计研

河南省城市规划设计研究总院有限公司 夏 磊

开封建业森林半岛置业有限公司 马冰冰

基于性能的抗震设计是指以建筑物整个生命周期的抗震性能和经济指标为主要设计目标，使结构在遭受不同规模的地震时，结构性能可以达到预期设计要求，结构的地震反应得到有效控制，从而降低地震灾害程度，确保建筑的预期功能。从本质上说，基于性能的结构抗震设计就是“投资—效益”准则下结构“共性”和“个性”的基于可靠度的结构优化设计过程。本文，笔者综述了基于性能的结构抗震设计方法，介绍了目前国内外地震工程界对基于性能的结构抗震设计开展的研究工作。

一、基于性能的结构抗震设计方法

基于性能的抗震设计方法目前主要有3种：承载力设计方法、位移设计方法和能量设计方法。

1.承载力设计方法。承载力设计方法是目前各国规范所普遍采用的方法，基于承载力设计方法又可分为静力法和反应谱法。静力法产生于20世纪初期，是最早的结构抗震设计方法。上世纪初前后日本浓尾、美国旧金山和意大利Messina的几次大地震中，人们注意到地震产生的水平惯性力对结构的破坏作用，提出把地震作用看成作用在建筑物上的一个总水平力，该水平力取建筑物总重量乘以一个地震系数。用现在的结构抗震知识来考察，静力法没有考虑结构的动力效应，即认为结构在地震作用下，随地基做整体水平刚体移动，其运动加速度等于地面运动加速度，由此产生的水平惯性力，即建筑物重量与地震系数的乘积，并沿建筑物高度均匀分布。考虑到不同地区地震强度的差别，设计中取用的地面运动加速度按不同地震烈度分别给出。根据结构动力学的观点，地震作用下结构的动力效应，即结构上质点的地震反加速度不同于地面运动加速度，而是与结构自振周期和阻尼比等有关。采用动力学方法可以求得不同周期单自由度弹性体系质点的加速度反应。以地震加速度反应为坐标，以体系的自振周期为横坐标，所得到的关系曲线称为地震加速度反应谱，用来计算地震引起的结构上的水平惯性力更为合理，即反应谱法。对于多自由度系，可以采用振型分解组合方法来确定地震作用。

2.位移设计方法。基于位移/性能的抗震设计方法是近些年来随着人们对结构抗震认识的深入而产生的。根据设计思路的不同，基于位移的抗震设计可以分为：直接基于位移的设计方法、能力谱方法和按延性系数设计的方法。

（1）直接基于位移的设计方法。该方法是先假定结构的整体侧移模式，并按照结构动力学方法将实际的多自由度体系转化为等效单自由度体系，确定等效单自由度体系结构的弹塑性地震位移反应，再根据侧移模式反算出原多自由度体系各楼层的弹塑性地震位移反应，验算其是否符合限值要求。该抗震设计方法直接用位移指标衡量结构的性能，比较直观，计算方法也较为简单，便于设计中应用。但是，该方法中控制结构性能的因素比较复杂，比如一般认为在小震下强度是控制结构性能的主要因素，但是单用位移指标来进行结构设计可能不够全面。另外，设计过程中侧移模式的选取、等效单自由度体系的转化、各性能目标限值的确定以及高振型影响的忽略等等，都直接或间接地影响了该方法的精确性，所以该方法仍需要进行更深入地研究。

（2）能力谱方法。能力谱方法最初是由Freeman等人在1975年美国海军工程项目简化评估时提出来的，后经许多学者不断改进而来的方法。该方法是通过将地震反应谱曲线和结构能力谱曲线转换成相同的格式，求得两个曲线相交点（称作性能点）的位移（称作目标位移），或者采用图示的方法直观地评估结构在给定地震作用下的性能。能力谱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。虽然能力谱法没有严密的理论论证，但由于该方法运用图形对比结构的能力和地震地面运动对结构的需求，能够比较直观地评价结构在地震作用下的表现，所以该方法目前仍然被许多国家运用，如《日本建筑标准法》和美国的ATC—40都采用能力谱法作为基于性能的抗震设计。

（3）按延性系数设计的方法。一般建筑物都按照承受小于在弹性反应结构上产生的水平地震作用来进行设计，这意味着这样的结构将会出现非线性变形，进而产生延性反应。一个结构所具备的良好延性有助于减小地震作用、吸收和耗散地震能量，避免结构倒塌。按延性系数设计的方法就是要考察结构屈服以后的延性反应过程，研究钢筋混凝土构件与结构的延性问题。在新西兰等国家得到广泛运用的按延性系数设计方法的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。按延性系数设计的方法可分为4个基本步骤：一是进行结构小震下承载力计算，求出截面内力以及配筋。二是根据大震和经强度验算选定的截面、配筋所得的结构实际强度，求出结构整体需要的位移延性系数。三是根据结构位移延性系数位移延性系数和结构体系的塑性变形机制，确定构件的延性需求，计算临界截面需要的曲率延性系数。值得注意的是，不同的变形机制，其结构和构件间的延性关系也不同。四是通过与塑性铰区混凝土极限压应变的关系，确定箍筋，进行截面的延性设计。按延性系数设计的方法侧重构造措施在结构抗震设计中的作用，对构造措施进行定量分析，并试图建立一个明确的塑性变形机构，使建筑物在遭遇地震时按照预定的塑性变形方式进行反应。但按照该方法要真正实现结构具体的抗震性能目标还需要继续进行更详细深入的研究工作。

3.能量设计方法。能量分析的概念在1956年由Housner提出后，人们对它的研究一直在进行，但由于受技术手段的限制，多年来主要集中在概念的讨论和单自由度结构的计算分析方面。直到20世纪70年代末和80年代初，随着实际地震数字化记录、震害观测资料和结构试验数据的大量积累，人们才清楚地认识到结构的能量反应在评价地面运动强度和结构破坏程度中的重要作用。尤其是随着计算机技术的飞速发展，结构地震反应非线性时程分析方法的广泛应用，使人们具备了深入系统地进行结构动力弹塑性能量反应分析的条件，能量分析方法的研究自此也进入了新的时期。

在建立的能量方程中，结构的阻尼耗能和滞回耗能随时间单调增加，在地震结束时取得最大值。滞回耗能是最具有工程意义的能量反应指标，它能很好地反映强震持续时间对结构的影响，实践中主要利用它来衡量结构的塑性累积损伤。当结构进入塑性阶段以后，动能和弹性应变能在总耗能中所占的比例很小，而地震输入给结构的能量主要依靠结构的非弹性变形和阻尼来耗散。可以这样认为，阻尼耗能及体系的塑性变形能和滞回耗能能力决定了结构的抗震能力，也即如果体系阻尼耗能及滞回耗能能力大于地震输入能量，即可保证结构的抗震性能，从而防止结构在地震作用下的倒塌。

二、目前国内外开展的一些研究工作

1.多级性能水准的确定与统一。生命安全水准、结构损伤水准和确保使用功能水准为当前规范普遍接受的3级性能水准。生命安全水准要求建筑在罕遇地震作用下不倒塌，结构损伤水准要求建筑损伤控制在可修复的范围内，确保使用功能水准要求结构不产生影响建筑直接使用的变形等。基于性能的结构抗震设计要求细化这3级性能水准并建立相应的结构设计准则。

2.多级地震设防水准的确定与统一。当前规范普遍采用3级性能水准所对应的最高设防水准。在建筑使用期内遭遇一次地震危险的水准和可能遭受多次地震危险的水准3级地震设防水准。基于性能的结构抗震设计同样要求细化这3级地震设防水准。

3.可行的结构设计与分析方法。要求建立适用于在多级水准地震作用下实现多级性能水准的结构设计与分析方法。

4.结构安全性评估方法的完善。当前由静力推覆分析方法和能力谱分析方法结合形成的静力弹塑性方法被普遍用来评估罕遇地震作用下建筑的抗震性能。基于性能的抗震研究是一个非常庞大和复杂的问题，就目前的发展水平而言，还存在许多问题需要进一步研究解决。在结构性能方面，虽然提出了不同性能水平，但只是对结构和非结构性能的破坏程度的描述，对结构“不坏、可修、不倒”定义模糊，未给出明确的量化指标。在结构多级性能目标方面，还需要进一步考虑建筑场地特征和近震的影响，以及设防水平与震后重建时间、费用之间的定量关系。对于高层建筑或沿高度侧向刚度有变化的建筑，采用何种目标侧移曲线，侧向力分布模式是否考虑高阶振型的影响，都需要作进一步深入的研究。以及如何针对复杂的混合塑性铰分布破坏机制建立位移延性和曲率延性的转化关系，从而获得结构曲率延性需求，也有待进一步研究。