基于性能的抗震设计理论研究评述

冯 玲 栗轩辉

(1.西北电力设计院，陕西 西安710075；2.西安交通大学 陕西 西安710049）

随着科学发展，结构抗震设计理论得到了迅速发展。从1920 年日本学者大森房吉提出的抗震设计静力法，1940 年美国Biot 教授提出的弹性反应谱理论，发展到近一、二十年出现的动态时程分析法，共经历了三个主要阶段。 20 世纪70 年代以来，随着人们对地震不确定性的深入认识，多级抗震设防的思想逐步得到地震工程界的认同，并提出基于性能的抗震设计理论。

1 基于结构性能抗震理论的发展概况

基于性能的抗震设计是基于性能的地震工程的一部分内容。基于性能的抗震工程理念可以追溯到地震工程学的开始[1]。 20 世纪六十年代，美国加利福尼亚结构工程师协会和波特兰水泥协会对基于性能的抗震工程提出了新的观点。

1964 年美国的Alaskan 地震和1971 年的San Fernando 地震，使美国的抗震规范进行了修订以加强建筑物在遭受地震作用时的安全性。 对规范进行大量修订是在1984 年的Loma Prieta 地震和1994 年的Northridge 地震后。 七十年代中期，美国国家自然科学基金会和国家设防水平局资助进行了新的抗震设计方法的研究。 到了八十年代，美国的海陆空三军总部出台了一个关于重要建筑的抗震设计手册[3]，手册里提出了一些和现在的基于结构性能的抗震设计理论非常相近的理论。 这些抗震设计理论和1996 年出台的升级版本可以看作是现在的基于结构性能的抗震设计理论的雏形。 1995 年，美国加利福尼亚结构工程师学会的Vision 2000 委员会提出了基于性能的抗震设计思想， 并建立了新的结构性能设计体系的框架。 此后， 美国和日本自1999 年起每年进行专题讨论，就基于性能的抗震设计理论框架、性能水准、结构设计和分析方法等内容进行学术交流。 从而使得这种新的设计思路及围绕这一思路所需解决的一系列问题成为目前抗震工程及抗震设计研究的中心课题之一。

2 基于结构性能抗震设计理论

2.1 基于结构性能抗震设计理论的研究内容

基于结构性能的抗震设计理论是以结构抗震性能分析为基础，根据设防水准的不同，将结构的抗震性能划分为不同的等级。 除了抗震设计方法，基于性能的抗震设计理论还包括目标性能的确定，主要包括以下三个方面：

2.1.1 地震设防水准

在设计基准期内， 定义一组参照的地震风险和相应的设计水平，是基于性能设计理论的一个重要目标。 文献[3]认为基于性能的设计理论应追求能控制结构可能发生的所有地震波谱的破坏水准， 为此，需要根据不同重现期选择所有可能发生的对应于不同等级的地震动参数的波谱， 这些具体的地震动参数称为地震设防水准， 分为常遇、偶遇、罕遇和稀遇地震，并给出了其重现期和超越概率。

2.1.2 结构的性能水平及其量化指标

结构的抗震性能水平表示结构在特定的某一地震水准下一种有限程度的破坏，主要用结构易损性、结构功能性和人员安全性来表达。文献[4]提出按照不同的地震动水平将结构的性能水准分为四级，即功能完好、功能连续、控制破坏与损失、保证安全。文献[5]提出了简化的三级性能水准，即可继续使用、修复后可再使用、保证安全。

2.1.3 抗震设计的目标性能

结构抗震设计的目标性能是针对某一地震设防水准而期望达到的抗震性能等级。我国抗震规范的目标性能实际是：小震不坏，中震可修，大震不倒。

2.2 基于性能的抗震设计方法

基于性能的抗震设计主要有以下三种方法。

2.2.1 位移影响系数法位移影响系数法的基本原理：认为非线性SDOF 体系的最大位移等于具有相同阻尼和刚度的弹性SDOF 体系的最大位移乘以一个和强度折减系数R、周期Te等有关的位移修正系数：

式中：Δi，δe分别为非线性和线性体系的最大位移；CR＝C0C1C2C3为位移修正系数；C0为反映等效单自由度体系（SDOF）位移与建筑物顶点位移关系的修正系数；C1为利用弹性位移估计弹塑性位移的修正系数；C2为反映滞回环形状对最大位移反应影响的调整系数；C3为反应效应对位移影响的修正系数；Sa为SDOF 体系的等效自振周期和阻尼比对应谱加速度反应；Te为结构等效自振周期。

2.2.2 直接基于位移的方法

国内外学者提出了适用于不同类型结构的基于位移的抗震设计方法。

基于位移的计算方法需要对结构的期望位移最大值进行计算，然后进行结构设计， 使结构和构件的变形能力超过期望位移最大计算值。

基于位移限值的迭代计算方法与基于位移的计算方法相似，不同的是结构的位移限值是给定的，进行结构设计时，需对结构体系进行反复修改，直到计算分析的位移值小于位移限值，整个设计过程需要迭代计算。

直接基于某一限值位移的方法是从某一给定的目标位移出发开始结构设计，并得到结构的需求强度、刚度等，最后得到满足某一设计地震水平的目标位移。

2.2.3 能力谱方法[6]和改进的能力谱方法

能力谱法的一个显著特点是：使用线性等效的方法。 该方法对结构在地震作用下的“需”与“供”较为明确，有助于结构性能目标的选取。

3 目前基于结构性能抗震设计方法需要解决的问题

3.1 抗震设防水准的完善

目前世界各国各种规范文件对抗震设防水准的规定，有的用四种地震风险水平，有的用三种。对于多遇地震我国的地震设防水准偏低，就会导致在第一阶段抗震设计时，设计强度和弹性变形偏小，而对于常遇地震和罕遇地震则与美国规范持平。 因此，结合我国的经济水平及地震区域的分布特点，提出更完善的抗震设防水准是当前地震工作者的一项重要任务。

3.2 结构抗震性能指标的量化与细化及多重指标的研究

目前对于基于性能的抗震设计，主要还是采用基于位移或变形的设计方法。 由此产生三个问题：一是如何将业主对结构的抗震性能要求量化为具体的变形指标；二是控制指标的细化问题；三是多重指标的使用，有的学者[7]认为仅仅采用变形作为结构抗震性能的控制指标是不够的，应该使用两个或多个性能参数。

3.3 抗震设计方法的进一步改进

位移影响系数法只是一种衡量结构整体抗震水平的评估方法，无法提供具体楼层和主要构件的损坏情况。 另外，该方法需要确定的系数较多，每一个系数取值的变化都会对结果产生较大的影响，使计算结果与结构的实际最大非线性位移会产生较大的误差。

直接基于位移的方法采用的是替代结构，由于替换结构的刚度是对应于最大位移时的割线刚度（或初始刚度），其周期一般比弹性结构的周期长（或小）许多。近年来的研究表明，近场强震效应、结构构件的滞回特性等对结构位移反应谱具有较大的影响。

在能力谱方法中，需要将原型多自由度结构体系转化为等效单自由度体系，这对于多高层结构体系来说，将产生比较大的误差；通常的能力谱方法都只适用于规则结构，对于抗侧刚度沿结构高度方向分布不均匀的结构体系或楼层平面内扭转反应比较明显的结构体系，该方法是否适用需要进一步研究。

4 结论

本文通过回顾基于性能的抗震设计理论的提出背景和发展历史，总结了基于性能的抗震设计理论研究内容和设计方法，提出了目前基于性能的抗震设计理论研究中存在的主要问题，为今后进一步研究指明了方向。

［1］Sigmund A. Freeman, Performance-based seismic engineering: past, current,and future[J]. Journal of Structural Division, ASCE, 2000：1-8.

［2］Structural Engineers Association of California (SEAOC). Recommended lateral force requirements[S]. Seismology Committee, 1960.

［3］California Office of Emergency Services, Vision 2000: Performance based seismic engineering of buildings[S].Structural Engineering Association of California,Vision 2000 Committee, California, 1995.

［4］J.Maffei, Suggested improvements to performance based seismic guidelines[C]//Pro. 11th World Conf. Erathquake Engrg., 2000:1087.

［5］T. J. Sullivan, G. M. Calvi, M. J. Priestley. The limitations and performances of different displacement based design methods[J]. Journal of Earthquake Engineering,2003, 7, Special Issue 1: 201-241.

［6］P. Fajfar, Capacity spectrum method based on inelastic demand spectra[J].Earthquake Engineering and Structural Dynamics, 1999, 28(6): 979-993.

［7］M. Williams. Suggested improvements to performance based seismic damage indices for concrete structures: state-of-art review [J]. Earthquake Spectra, 1995,28(1):319-349.