1、基于性能的结构抗震设计研究【摘要】基于性能的抗震设计代表了未来结构抗震设计的方向， 采用“ 投资 效益”准则下的抗震性能水准的划分、抗震性能目标的确定以及常用的性能抗震设计方法， 将克服基于承载力的抗震设计不能预估结构屈服后的工作性能的缺陷。本文探讨了基于性能的结构抗震设计研究。 【关键词】性能；结构；抗震设计 中图分类号：U452.2+8 文献标识码：A 文章编号： 一、基于性能的结构抗震设计的含义 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
2、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
3、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” 。 二、基于性能的抗震设计理论的特点 基于性能的设计（PBSD）思想最早是由美国的研究者提出，它实际上是对抗震设计多道防线思想的进一步细化，对于不同的设防阶段提出不同的性能水准。性能设计中对结构的倒塌也定义了具体的指标，这些指标包括层间位移角，梁、柱和剪力墙的塑性转角等。该理论不同于目前的设计理念和方法， 但它并不排斥现行的设计理论和经验， 具有以下特点: （一）采用多级设防目标. 我国现行“小震不坏， 中震可修， 大震不倒”的抗震设防水准， 以保障人们生命安全为一级设防目标， 无法避免大震中巨大的经济损失.
4、 基于性能的抗震设计理论提出了多级目标设计理念， 既要保证生命安全， 又要避免经济损失超过业主和社会的承受能力， 更加注重非结构构件和内部设施的保护， 因此根据投资-效益准则， 引入经济决策机制， 它通过进行费效分析， 在可靠和经济之间选择一种合理的平衡， 以确定最佳抗震设计方案， 达到优化设计的目的; （二）强调个性设计， 具有更大的自由度. 现行抗震设计需要依照规范按部就班， 缺乏灵活性， 结构设计人员处于被动状态. 基于性能的抗震设计除了满足“共性”外， 更加注重“个性”设计， 增加了业主与设计人员的交流， 根据结构的用途及业主的要求确定结构性能目标后， 设计人员可以选择实现该性能目标的
5、设计方法， 采用相应的构造措施， 既调动了设计人员的积极性， 又有利于新材料的推广应用和新技术的开发. 同时，结构的抗震能力是按选定的抗震功能目标进行设计，具有可预见性; （三）基于性能的抗震理论目前还没统一的设计方法， 很多学者提出采用结构层间变形或顶点位移作为性能指标， 它是从传统的以力为基础设计转变成以变形为基础的设计， 是从弹性设计方法转变为弹塑性的设计方法， 解决了传统设计理论上的不足， 尽可能使结构的预期功能与实际地震作用下的功能相符合. 三、基于性能的结构抗震设计方法 （一）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。
6、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
7、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。 （二）直接基于位移进行抗震设计 该方法采用结构位移作为结构性能指标， 与传统设计方法相比， 基于位移的抗震设计方法从根本上改变了设计过程。主要的不同是， 该方法用位移作为整个抗震设计过程的起点， 假定位移或层间位移是结构抗震性能的控制因素。设
8、计时用位移控制， 通过设计位移谱得出在此位移时的结构有效周期， 求出此时结构的基底剪力， 进行结构分析， 并且进行具体配筋设计。设计后用应力验算， 不足的时候用增大刚度而不是强度的方法来改进， 以位移目标为基准来配置结构构件。该法考虑了位移在抗震性能中的重要地位， 可以在设计初始就明确设计的结构性能水平， 并且使设计的结构性能正好达到目标性能水平， 是性能设计理论中很有前途的一种方法。但应用于多自由度体系、多种结构类型等时，还需要做更多的研究。 （三）能量法 假设结构破坏的原因是地震输入的总能量， 地震对结构物及其内部设施的破坏是由其输入的能量与结构物所消耗的能量共同决定的。能量设计法的优点就
9、在于， 能够直接估计结构的潜在破坏程度， 对结构的滞回特性以及结构的非线性要求概念清楚。另外， 耗能元件的设置可以更好地控制损失。缺点在于应用方法不够简化， 不确定因素较多。 总之，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的结构设计，是设计理念上的一次变革，涉及结构抗震设计的各个方面，对工程结构的设计和发展具有重大意义。利用该理论进行结构抗震设计，可充分发挥工程师的主动性，根据实际情况与业主的要求及其它条件自主地选择结构性能目标水准、结构措施等，满足人们对结构性能的不同要求。另外， 随着经济全球化速度的加快和国际间投资与贸易的增加， 由于各国采用不同设防水准进行抗震设计，常常因设防
10、水准不同产生争议。采用基于结构性能设计理论有利于消除这种投资与贸易上的障碍。国际标准化组织 ISO 也希望推行各种基于性能的国际标准， 包括建筑设计规范， 以避免因设计标准的原则差异带来的困难。从各国抗震设计规范修订动向来看，可以说基于结构性能设计是 21 世纪世界抗震设计规范的趋势，本文只是对基于结构性能的抗震设计理论的研究与发展作一初步介绍， 旨在引起人们对该理论的重视， 共同探索基于结构性能的抗震设计理论在我国的应用。 【参考文献】 1 夏磊， 马冰冰. 基于性能的结构抗震设计研究J. 河南科技，2011，(13) 2 潘峰， 王勇. 建筑结构基于性能的抗震设计方法分析J. 邵阳学院学报(自然科学版)， 2007，(01) 3 郭志奇. 结构概念设计的探索性理解与应用J. 五邑大学学报(自然科学版)， 2006，(01) 4 李晓莉， 吴敏哲， 郭棣. 基于性能的结构抗震设计研究J. 世界地震工程， 2004，(01) 5 柏章朋， 张守斌， 陈广成. 基于性能的结构抗震设计综述J. 科技资讯， 2006，(15)
