1、建筑结构基于性能的抗震设计方法分析摘要：介绍了结构抗震性能水准的划分、抗震性能目标的确定以及常用的基于性能的抗震设计方法。文中着重探讨了按延性系数进行结构性能抗震设计的方法和步骤,最后指出性能抗震设计方法今后的发展趋势。关键词： 基于性能;抗震设计;性能水准;性能目标 中图分类号：TU97 文献标识码：A 文章编号： 1 引言 随着社会经济的高速发展，城市规模不断扩大，由地震引起的生命、财产损失越来越严重，降低震害损失已成为工程结构抗震设计的重要内容。随着大量的震害分析和工程实践，建筑结构地震反应分析和抗震设计方法在不断地发展和完善。结构抗震设计理论从最初的静力阶段和反应谱阶段发展到动力阶段及
2、目前的基于性能的抗震设计理论阶段。 2 基于性能的抗震设计理论的提出 基于性能的抗震设计理论是 1992 年由美国学者提出的，它是指对结构进行抗震计算分析和采取构造措施，使结构在不同的抗震设防等级地震作用下达到预期的抗震性能目标。 结构抗震性能目标的确定需要设计人员和业主的共同参与，使得结构在地震中遭受的损失是业主和社会所能承受的。这就需要针对不同的结构制定不同的抗震性能目标，该目标的制定过程中就体现出结构抗震设计的“个性” 。而所有结构还必须满足抗震规范中规定的最低性能目标，体现出结构抗震设计的“共性” 。从本质上说，基于性能的结构抗震设计就是“投资一效益”准则下结构“共性”和“个性”的基于
3、可靠度的结构优化设计过程。 3 结构抗震性能水准和性能目标 对结构进行基于性能的抗震设计分析，首先应该明确划分该结构的抗震性能水准和性能目标。 3.1 抗震性能水准 结构的抗震性能水准是指建筑结构在某一特定设防地震等级下预期破坏的最大程度。基于性能的抗震设计是考虑结构构件、内部设施、装修等多种因素，由此划分抗震性能水准更细致，使工程选择范围更灵活。根据美国联邦紧急救援署提供的资料，基于性能的结构抗震设计可沿用四个性能水准： 水准 1 基本完好：无永久侧移，结构基本保持原有强度和刚度，结构构件以及非结构构件基本不损坏。内部重要设备仍正常工作。 水准 2 轻微破坏：无永久侧移，结构基本保持原有强度
4、和刚度，结构构件与非结构构件有轻微破坏。电梯能够重新启动，防火措施得力。 水准 3 生命安全：所有楼层都有残留强度和刚度，承受重力荷载的构件仍起作用，不发生墙体平面外失效或女儿墙倒塌，有永久侧移。 水准 4 不倒塌：几乎没有残留刚度和强度，但承受荷载的柱子和墙体仍起作用，有大的永久侧移。一些出口被堵，内隔墙和无支撑的女儿墙已经或开始失效，建筑即将倒塌。 3.2 抗震性能目标 抗震性能目标是指结构相对于每一个设防地震等级所期望达到的抗震性能水准。根据以上四个性能水准进行设定。 对一般建筑物要求达到的基本性能目标是：在常遇地震作用下能保持基本完好；在偶遇地震作用下结构和非结构构件有轻微损坏，但可修
5、复；在罕遇地震作用下能保证生命安全，建筑修复费用可能很高；在极罕遇地震作用下建筑物不能倒塌。 为了达到这些性能目标，首先要找出能够有代表性地表述这些性能目标限值的变量。目前抗震性能目标的限值大多采用应力、位移、延性系数、能量耗散指标等。其中比较常用的是位移限值，如文1建议了框架剪力墙结构、剪力墙结构和框筒结构的弹塑性层间位移角限值。然而，在确定结构抗震性能目标限值方面的研究还远未成熟，不同的结构类型、更细的性能水准划分以及描述这些性能水准的构件体系范畴的增大，都加大了确定性能目标限值的难度，要在未来工程中应用，仍需要进行大量的实验研究、理论分析和统计工作。 4 结构抗震设计方法 目前，基于性能
6、的结构抗震设计方法主要有三种：承载力设计方法；位移设计方法和能量设计方法。 4.1 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，这里不再祥述。4.2 位移设计方法 基于位移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方法又可分为以下几种：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。 4.2.1 直接基于位移的设计方法 直接基于位移的设计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
7、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，较直观，计算方法也较为简单，便于设计中应用。但是控制结构性能的因素比较复杂，比如在小震下强度是控制结构性能的主要因素，所以单用位移指标来进行结构设计可能不够全面。再者，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忽略高振型等等，都直接或间接地影响了该方法的精确性，所以仍需要进行更深入的研究。 4.2.2 能力谱方法 能力谱方法最初是由 Freeman 等人在 1975 年提出来的，后来很多学者不断改进这种方法。它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，
8、求得两个曲线相交点(称作性能点)的位移(称作目标位移)。 该方法的特点是结构在地震作用下的“需”与“供”较为明确，有助于判断结构的性能，目前对结构进行抗震性能评估大都采用能力谱方法。 4.2.3 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。一个结构具备良好的延性有助于减小地震作用影响，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使用2。 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
9、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。4.3 能量设计方法 结构在遇到较大地震作用时，会产生非弹性变形，导致能量耗散。能量设计方法是通过控制结构或构件的耗能能力，达到控制整个结构抗震性能的目的。文献3就是一种基于能量的抗震设计方法。但是由于结构体系的复杂性，结构滞回耗能的计算很大程度上依赖于构件单元恢复力模型的选取，计算比较繁琐，且具有一定误差。 5 结束语 本文介绍了基于性能的抗震设计理论中的主要内容：抗震性能水准的划分、抗震性能目标的
10、确定以及常用的性能抗震设计方法。基于性能的抗震设计理论基本克服了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，对结构的性能提出全面的、清晰的要求与量化，并通过设计予以满足，最大限度地发挥建筑结构的整体抗震性能，使地震对建筑结构的破坏、对生命和财产所造成的损失在可预见和可承受的范围内。基于结构性能的抗震设计是世界各国抗震设计理论发展的趋势所在。但是要使其设计方法得以推广，还有很多相关工作要做，比如：非结构构件强度、刚度等的确定、地震反应位移谱的确定、各性能目标限值的确定。这些问题的解决，都将促进基于性能的抗震设计方法的精确性的提高，使其早日应用到规范中，指导建筑结构设计。 参考文献 1郭子雄,吕西林,王亚勇.建筑结构在罕遇地震下弹塑性变形验算的讨论J.工程抗震,1999,(1):13-18. 2鲍雷 T,普里斯特利 M J N.钢筋混凝土和砌体结构的抗震设计M.中国建筑工业出版社. 3程斌,等.基于能量的抗震设计J.地震工程与工程振动,2003,23(1):64-68.
