基于性能的抗震设计研究现状

谭继可，俞　盛，贾善坡

(1.中南建筑设计院股份有限公司成都分公司，四川 成都 610000；2.中南建筑设计院股份有限公司，

湖北 武汉 430071；3. 长江大学 城市建设学院，湖北 荆州 434023)



基于性能的抗震设计研究现状

谭继可1，俞盛2，贾善坡3

(1.中南建筑设计院股份有限公司成都分公司，四川 成都 610000；2.中南建筑设计院股份有限公司，

湖北 武汉 430071；3. 长江大学 城市建设学院，湖北 荆州 434023)

摘要：基于性能的抗震设计是对现行规范的补充和完善，是国际上先进的抗震思想。指出现行规范设计法存在的不足，提出性能设计法是发展的必然趋势。从理论研究、应用研究和软件应用三个方面分别介绍了基于性能的抗震设计方法在国内外的研究和发展现状。从性能目标确定、性能设计方法和性能评价准则三个方面对基于性能的抗震设计方法展开论述，并提出一些合理化建议。

关键词：基于性能；抗震设计；性能目标；评价准则

基于性能的抗震设计(PBSD)思想最早是由美国工程师在20世纪90年代提出的，这种抗震思想是保证相应性能水准下，结构采用最小延性构造要求，使结构提供所需的弹塑性变形，是对建筑多级设防目标的进一步细化和具体化，是国际上先进的抗震思想。基于性能的抗震设计方法提出后，很快得到美国、日本、新西兰等国家工程界的重视，并展开对基于性能的抗震设计理论和方法的研究。

我国规范采用以人身安全为基本出发点的三水准设防、两阶段设计的方法已远远不能满足现阶段业主对建筑经济性的要求，人们迫切需要一种更加完善的抗震设计方法，使得基于性能的抗震设计方法的产生和发展成为一种必然。

1规范设计法的局限性

1.1地震的不确定性

地震活动破坏力大，作用时间和地点不可预估，是一个非平稳的随机过程，具有高度不确定性。我国现行规范主要采用反应谱法计算地震力，通过设防烈度、场地特征周期和阻尼比等确定地震力的大小。设防烈度的确定以现存的地震资料和经验为基准，对全国不同地区划分不同的设防烈度，并采用三水准设防。地震力作用大小以设防烈度为度量，地震等级大小的定义以超越概率为基准，例如：以50 a为基准期，超越概率63%为小震，超越概率10%为中震，超越概率2%～3%为大震。但在中国有不少地区虽然有地震设防烈度分区，但缺少地震统计数据，无法真实预估地震作用，有时更会误判低估地震作用大小。例如唐山、汶川等地，在大地震发生以前设防烈度为7度，而实际地震作用烈度已超过了8度，对地震力的预估不足，也是造成巨大灾难的重要原因。

1.2计算方法的不合理性

我国现行规范是采取半经验半理论的计算方法进行抗震设计，为使规范所采用的设计方法计算的地震力可以基本包含所有建筑结构类型并对结构类型条件进行限制，便形成了“半经验公式+限定条件”的抗震设计方法。如果不满足相应的限定条件，此类建筑被称为超限工程，需要补充大震弹塑性分析，并进行超限审查，确保建筑结构可以达到“小震不坏，中震可修，大震不倒”的抗震设防目标。而现阶段的抗震设计方法，存在不少与基于性能的抗震设计思想背道而驰的地方：

(1)我国抗震规范未执行R-μ-T准则。R-μ-T准则表明，若材料的本构关系为理想弹塑性时，强度的折减与延性的关系[1-2]为：

R=1,T≤0.03S

R=μ,T≥1.0 s(等位移原理)

式中R为强度折减系数。美国等一些国家的抗震理论始终贯穿着 R-μ-T准则，世界学术界也已达成共识，结构抵抗大震作用的主要机理是塑性变形、延性和耗能，而我国的规范中R值取为定值，并未执行R-μ-T准则。

(2)文献[3]严格按照规范要求设计出的钢筋混凝土框架进行非线性动力分析和抗震性能评估，得到抗震等级为三级和四级的框架结构不能有效地产生梁铰变形机构，无法满足规范提出的“强柱弱梁”性能目标，建议考虑楼板作用有效宽度范围内钢筋的有利作用。此外，我国规范不应该使“强柱弱梁”、“强剪弱弯”等一些调整系数与抗震等级有关，不应该使抗震等级既是构件的延性指标，又是地震作用效应指标，这些并没有遵守强度超强的基本原理[4]。

(3)规范采用刚度调整方法对剪重比进行调整，这与国际上按承载力调整地震剪力的思想不同，剪重比是保证结构楼层承受的最大地震力作用，而靠提高建筑物的刚度来增加地震力的方法是不可取的。

(4)规范对具有薄弱层和厚板转换的建筑结构有过于保守的规定。文献[5]采用基于性能的抗震方法对具有薄弱层、厚板转换的实际工程进行研究，得出规范对薄弱层要求过于保守的结论，并指出厚板转换并未对结构的抗震性能产生不利影响。

1.3计算结果的不确定性

在现阶段的抗震设计方法中，大多数的建筑结构并没有进行罕遇地震下弹塑性验算，只进行小震弹性设计并满足相应的弹性指标限值。假定结构满足大震不倒的设防目标，比如规范对弹塑性层间位移角的限制目的是保证大震不倒，但是线弹性的设计方法，并不能正确地把握结构屈服后的非线性行为和全过程地震反应，同样也无法确定结构的内力重分配及高阶振型等不确定因素的影响，使计算结果具有不确定性。

2国内外研究进展

2.1理论研究

20世纪70年代，新西兰学者PaulayT.等首次引入了基于能力的抗震设计方法，这一思想是基于性能的抗震设计思想的雏形，在新西兰被重点研究，并被美国等一些国家所采用[6]。

基于性能的抗震设计理论和方法在美国的研究应用较为成熟，美国的相关部门和协会均编制了各自的一些规范、技术文件系列，例如《ATC-40》《FEMA356》《ASCE41-06》等文件是美国性能设计规范样本，为世界其他国家基于性能的抗震设计理论和方法的发展提供了参考，但此类规范只针对既有建筑的抗震性能评估[7-9]。

21世纪初，洛杉矶和旧金山先后颁布了各自的基于性能的高层建筑抗震规范，标志着美国开始步入基于性能的高层建筑结构设计阶段[10-11]。

2000年，日本将性能化设计思想引入建筑规范中，从此日本也进入了基于性能的抗震设计阶段。

近年来，我国工程师和科研人员结合我国实际情况对基于性能的抗震设计方法展开研究，并取得了一系列成果。

韩小雷[12]参考美国性能规范ASCE41-06并结合我国已有规范给出了转换后构件变形控制指标，并将基于能力设计原理的结构抗震设计分析方法引入转换层结构设计和双肢剪力墙的极限承载力分析，将取得的研究成果应用到超限高层建筑结构抗震设计中。

扶长生[4]结合中国规范和美国性能规范ASCE41-06，对基于性能的抗震方法进行了研究，指出我国现行规范的一些不合理性，并给出适合高层建筑结构的抗震性能指标和不同性能水准下的可接受准则。

清华大学叶列平等[13]对基于能量的抗震设计方法展开了相关研究工作，以合理的结构损伤耗能机制控制为前提，提出了基于能量的抗震设计框架，并将基于能量的抗震设计方法应用到构件层次的设计。

郭彤、顾羽等[14]提出一种基于可靠度和基于性能的抗震设计方法，并采用该方法对RC框架进行优化设计；吕大刚、贾明明[15]提出以变形可靠度为理论的全概率抗震设计方法。

刘伟[16]以砌体结构为研究对象，采用基于损伤理论的方法对其进行抗震设计研究，并得出对应的性能化设计量化指标。

文献[17]中给出了采用非线性静力方法或非线性动力方法进行建筑结构抗连续倒塌计算时结构构件的塑性转角限值，并根据抗震等级和性能水准给出了结构构件的可接受准则。这是我国第一个指导基于性能的抗震设计的技术规程，标志着我国抗震思想和方法的巨大进步，我国开始步入基于性能的抗震设计阶段。

2.2应用研究

谭继可、俞盛等[18]以美国性能规范ASCE41-06为依据，以某实际工程为例，结合我国规范对高层建筑提出小震、大震下各构件合理的抗震性能目标和可接受准则，并结合Perform-3D软件，通过工程实例对如何实现上述性能目标作了详细介绍。

张相悦[19]开发研制了将设计模型转换成ABAQUS模型的接口程序，并通过工程实例对该程序的正确性进行验证；最后采用基于性能的抗震设计方法对一栋8度设防的216m超高层建筑进行抗震性能分析，得到大震作用下结构的一些抗震性能指标，并对其进行全方位的抗震性能评估。

兰盛磊[20]采用PKPM软件和MIDAS软件，以某实际工程双子塔楼中的南塔楼为例，基于现行规范确定该工程的抗震性能目标，然后补充罕遇地震动力弹塑性分析，并对其进行抗震性能评估，指出该设计满足规范要求。

童霞[21]采用性能评估软件Perform-3D对某大学教学楼进行抗震性能评估，指出该工程较好地实现了规范要求的“三水准”设防目标。

扶长生、张小勇[22]成功借鉴美国基于性能的抗震设计研究成果，利用Perform-3D软件采用推覆分析方法对高烈度区超限高层建筑结构进行抗震性能评估，并对比分析推覆分析和动力弹塑性分析的抗震性能指标结果，得出采用前两个振型的推覆分析，可以基本包络动力弹塑性的分析结果；中国大多数地区缺少地震动记录信息，采用静力推覆分析方法对建筑结构进行抗震性能评估很有必要；采用推覆分析方法对建筑结构进行抗震性能评估时，对周期大于2s的高层建筑结构应展开必要的基础性研究工作。

林生逸[23]利用Perform-3D软件，对常规岛主厂房建立了基于纤维模型的弹塑性模型，并对其进行抗震性能评估，分析结果表明，该模型分析方法可以较好地得到结构构件应力及应变和结构整体的指标，是高效可行的；该文对Perform-3D软件在电厂结构上的应用得到了有利的推广，并对电厂结构基于性能的抗震设计方法提供了参考。

扶长生、张小勇等[5]采用SAP2000对东莞天利中央花园进行非线性分析，并用能力谱法对结构进行抗震性能评估，该工程参考美国规范，对结构重要部分制订不同的抗震性能目标，具有较强的参考意义；作者按现行规范要求对一些薄弱部位进行大震分析，指出规范要求过于保守；针对规范就“厚板转换”对结构抗震性能不利的观点提出了不同意见，结论表明 “厚板转换”并未对结构的抗震性能产生不利的影响。

秦宝林[24]利用Perform-3D软件对实际工程算例进行验证，通过Perform-3D软件对其他两栋实际超限高层进行抗震性能评估，得出现行规范对于弹塑性性能指标的控制较为偏保守，其承载力至少具有2.8倍的富余。

徐培福、戴国莹[25]对超限高层建筑结构基于性能的抗震设计方法进行研究，提出该方法有助于找出工程抗震设计中的安全隐患，避免结构设计薄弱环节，提高可靠性，并有助于促进技术发展；根据超限高层建筑特点提出抗震性能水准、目标的选用以及结构计算和试验方面的相关要求，并列举了满足上述要求的实际工程案例。

2.3软件应用

随着基于性能的设计方法应用的推广，一些商用有限元软件开始编入相应的分析程序进行基于性能的设计，常用的一些可以进行基于性能的设计的软件主要有：SAP2000、OPENSES、YJK、PKPM、Perform-3D、MIDAS、MSC、ABAQUS、ANSYS、ADINA，下文仅对几种常用的典型有限元分析软件进行介绍。

ABAQUS和ANSYS是致力于开发并支持分析工程问题的仿真软件，是通用的大型有限元软件，对结构进行动力弹塑性分析，需要对前后处理进行编程，一些本构关系定义较为复杂，如果想要得到和实验数据较为吻合的结果，需要对本构模型二次开发，由此可见，用ABAQUS和ANSYS做基于性能的抗震设计，需要较强的理论和编程基础，同时对计算机的配置要求较高。

SAP2000是基于对象的非线性有限元软件，计算范围几乎覆盖了结构工程计算中的所有问题。ETABS和SAP2000系列软件都是CSI公司的产品，前者着重于设计，后者主要偏重于分析。两者有很多相似的地方，均可以做静力和动力弹塑性分析，并可以直接依据FEMA356给出结构抗震性能评价，但是计算精度不高，而且SAP2000目前无法对有剪力墙的结构进行静力弹塑性分析。

PKPM和YJK是主要进行配筋设计的软件，使用者主要是设计院工程师，虽然软件可以进行弹塑性分析，但是软件模型简化较多，精度和计算方法远远没有达到科研要求，弹塑性方法只是对小震设计的辅助复核。

Perform-3D是用于结构抗震性能分析的非线性计算软件，它集合并实现了ASCE41的方法，可以基于ASCE41和FEMA440 自动对结构进行抗震性能评估。Perform-3D中，用户可以自定义结构包括构件截面、构件和结构的性能水准和可接受准则，也可以自定义结构的F-D曲线，程序并可以自动计算出需求/能力比，并可以直接以图形方式显示。Perform-3D软件是进行结构抗震性能评估的优选软件。

3基于性能的抗震设计

3.1性能目标确定

表1为ASCE41-13中的性能目标表，表1中给出的性能目标由地震灾害水平和性能水准共同决定，其中a～p在ASCE41-13相关章节可以查出对应的塑性变形限值，并得到结构构件的可接受准则。表1中同时定义了基本安全目标、增强目标和极限目标，基本上与我国现行规范的设防目标相同，设计人员可以参考如表1的美国性能设计规范的相关规定，对不同设防标准的建筑结构选用相应的性能目标和可接受准则。

3.2性能设计方法

基于性能的抗震设计理论和方法最早起源于美国，美国最开始的一些法律规范主要是针对既有建筑的抗震性能评估或对传统设计方法的一种校核，随着基于性能的抗震设计理论和方法的成熟，后来可以对新建建筑进行基于性能的抗震设计。基于性能的抗震设计方法主要有基于位移的设计法、综合设计法、能力设计法、基于可靠度设计方法等4种[14]，常见的弹塑性分析方法也是基于性能的抗震设计的一种形式。它要求不同地震水准下有明确的性能目标，将相应的性能水准对应下的结构构件的塑性变形能力进行量化，并据此评估结构的抗震性能是否达到预期目标。该方法可以直观地观测结构的受力状态和非线性变形形态，不确定性要小得多，更为合理。

表1　性能目标表[26]

注：矩阵表的每个单元格里代表独立的性能目标。可以使用上面的性能目标矩阵来表示标准建筑的三水准设防目标，在ASCE41-13在2.2.1、2.2.2和2.2.3小节中对性能目标的定义考虑了风险类别I&II部分(见表2)。

表2　结构加强方案

3.3性能评价准则

美国性能规范定义构件由OP、IO、LS和CP的性能水准点和4个连续的性能段组成，构件在不同性能点处对应不同的塑性变形，各性能点的可接受准则在ASCE41-06相关章节上均可以查到，文献[22]在此基础上增加了性能水准点CC和倒塌控制性能阶段，如图1所示。文献[12]结合我国规范要求，对ASCE41-06给出的可接受准则进行转化处理，确定按我国规范计算方法得出的延性、箍筋约束、轴力等条件下的塑性转动限值和可接受准则。

规范[17]中给出了压弯破坏的钢筋混凝土结构构件的弯矩-转角(M-θ)模型骨架线，如图2所示，不同性能点对应的性能水准和可接受准则均可在该规范中查出，设计人员可以直接依据相关数据进行基于性能的设计或对实际结构进行抗震性能评估。

图1　性能点的可接受准则[4]

图2　压弯破坏的钢筋混凝土结构构件的弯矩-转角(M-θ)模型骨架线[17]

4结语

基于性能的抗震设计的研究虽取得了不少成果，但在我国尚处于起步探索阶段。本文介绍了基于性能的抗震设计方法产生背景，从理论研究、应用研究和软件应用三方面对基于性能的抗震设计的国内外研究现状进行阐述，并指出结构性能目标、计算方法和性能评估准则是基于性能的抗震设计的三个关键问题，只有合理的选择评估准则和计算方法才能更好地应用基于性能的抗震设计方法。现阶段的研究成果主要针对结构抗震性能评估，如何将性能设计法应用于新建建筑设计中，需要进一步的研究。

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Performance-based seismic design method

TAN Ji-ke1,YU Sheng2,JIA Shan-po3

(1.Central-southArchitecturalDesignInstituteCo.,Ltd.,ChengduBranch,Chengdu610000,China;2.Central-southArchitecturalDesignInstituteCo.,Ltd.,Wuhan430071,China;>3.SchoolofUrbanConstruction,YangtzeUniversity,Jingzhou434023,China)

Abstract：Performance-based seismic design is to supplement and improve the existing norms,which is globally advanced seismic thought.The deficiencies of the existing standard design method are pointed out and the performance design method is the inevitable trend of development.The performance-based seismic design methods at home and abroad are discussed based on theoretical research,applied research and software applications.Performance-based seismic design is presented based on performance target-setting,the performance design method and performance evaluation criteria

Key words：performance-based;seismic performance target;acceptance criterion

中图分类号：TU398

文献标识码：A

DOI:10.14140/j.cnki.hncjxb.2016.01.004

文章编号:1674-7046(2016)01-0020-07

作者简介：谭继可(1988—)，男，河南永城人，硕士，助理工程师。

基金项目：湖北省自然科学基金(2015CFB194)；中国博士后科学基金(2014M551055)；岩土力学国家重点实验室开放基金(Z013007)

收稿日期：2015-11-23