基于性能的結構抗震設計方法研究

鄭國群

20世紀80年代以來世界上發生的幾次破壞性地震震害表明,按照現行抗震設計方法設計的結構物發生地震倒塌的概率很小,地震所造成的人員傷亡數量顯著下降,但地震引起的經濟損失卻令人震驚。隨著社會工業化進程的加快和物質文明的迅猛提高,業主或社會團體對一些重要結構物在地震中的性能提出了更高的要求,當前的抗震設計方法已經不能滿足這種需求。

基于對現代地震經驗和教訓的深刻反思,美國學者于20世紀90年代初提出了基于性能的抗震設計(Performance-Based Seismic Design,簡稱PBSD)理論新概念,這是工程抗震發展史上的一個重要里程碑。

1 基于性能的結構抗震設計的概念

盡管目前基于性能的抗震設計得到國際上廣泛的重視與研究,也得到了一些初步的成果。但是對于基于性能的抗震設計,現在還沒有一個統一的定義。比較有權威性的是美國SEAOC,ATC和FEMA等組織給出的基于性能設計的描述。其中SEAOC對基于性能抗震設計的描述是“性能設計應該是選擇一定的設計標準,恰當的結構形式,合理的規劃和結構比例,保證建筑物的結構與非結構的細部構造設計,控制建造質量和長期維護水平,使得建筑物在遭受一定水平地震作用下,結構的破壞不超過一個特定的極限狀態”。ATC對基于性能抗震設計的描述為“基于性能抗震設計是指結構的設計標準由一系列可以取得的結構性能目標來表示。主要針對混凝土結構并且采用基于能力的設計原理”。FEMA對基于性能抗震設計的描述為“基于不同強度地震作用,得出不同的性能目標。在分析和設計中采用彈性靜力和彈塑性時程分析來得到一系列的性能水平,并且采用建筑物頂點位移來定義結構和非結構構件的性能水平,不同的結構形式采用不同的性能水平”。

2 基于性能的抗震設計與現行抗震設計的比較

PBSD與當前抗震設計方法的主要區別如下:

1)PBSD使用多級性能目標進行抗震設計,而目前抗震設計方法盡管也提到“三水準設防”,實際通過“兩階段設計”實現,即“小震”作用下進行強度設計,“大震”作用下進行彈塑性變形驗算,保證結構不發生倒塌,認為“中震可修”的性能目標隱含自動滿足,本質上是以保證生命安全為目標的。2)PBSD的性能水準是對結構彈塑性反應的深刻認識基礎上提出的,所使用的量化指標(如位移、塑性轉角等)能夠反映結構的真實破壞狀態,可以在設計和性能評估中直接使用,從而保證抗震結構具有可靠的性能。而當前規范的性能參數比較模糊,在設計中不具有可操作性,使得我們無法可靠地了解抗震結構在實際地震中的性能。3)當前抗震設計方法是基于強度的抗震設計方法,而基于性能抗震設計目前還沒有統一的設計方法,但不少學者提出采用基于位移的抗震設計方法。4)在基于性能抗震設計框架內,社會團體、業主可以根據結構的重要性及其預期經濟損失,自主選擇不同的性能目標。而在當前的規范框架內,只有設計人員參與結構抗震設防決策,業主并不了解結構的抗震性能,同時也限制了設計人員的創造性。

PBSD與當前抗震設計方法的聯系如下:1)目前,盡管抗震設計方法有了很大的進步,計算方法也有了很大的改進。但鑒于抗震設計的復雜性以及我們認識的局限性,還不能夠完全依靠計算來確保結構安全可靠。2)基于性能抗震設計與現行抗震設計都要針對建筑場地作地震危險性分析。相對于目前的地震危險性分析,基于性能抗震設計要求做得更細致、更具體。3)由于抗震設計中存在大量不確定因素,尤其是地震作用在強度、時間和空間都具有很強的不確定性,所以目前針對結構進行抗震設計時,考慮了地震作用、材料強度和計算模式的隨機性。基于性能設計在針對整個建筑進行設計時,同樣要考慮這些不確定因素。

3 基于性能的抗震設計方法

3.1 基于強度的抗震設計方法

當前的抗震規范大多采用了基于強度的設計方法,使用強度折減系數對彈性分析得到的地震力進行折減,用來進行結構構件的強度設計和驗算,然后進行結構的延性設計,使得結構的延性能力高于和強度折減系數相應的延性需求值。新西蘭學者Paulay提出的能力設計思想(Capacity Design Philosophy)對于橋梁的延性設計具有重要的理論意義,這一思想的基本概念為:合理地選擇塑性鉸預期出現的位置,并通過延性設計確保塑性鉸的塑性轉動能力,同時延性構件(如橋墩)和能力保護構件(如上部結構和基礎)之間應具有不同的強度等級,以保證預先選擇的耗能機制能夠發揮作用,并確保能力保護構件處于彈性反應范圍。

由于結構進入彈塑性階段后,強度指標已經無法用來評價結構的破壞狀態,同時,強度折減系數僅僅反映了對結構整體的延性要求,無法反映對各個構件的變形能力要求,因此基于強度的設計方法不能很好地實現基于性能的抗震設計思想。但橋梁在小震作用下一般要求保持彈性反應狀態,對于這一階段強度設計是可以適用的。

3.2 基于位移的抗震設計方法

在強震作用下,結構的位移指標比強度更能直接反映結構的真實破壞狀態,因此20世紀90年代以來,基于位移的抗震設計方法(Displacement-Based Seismic Design,簡稱 DBSD)引起了各國學者的普遍重視,是實現基于性能的抗震設計思想的理想方法?；谖灰频脑O計是一種在設計過程中以位移為前提的抗震設計方法,在基于位移的設計方法中,強度和剛度是設計的最終結果,而不是初始的設計目標。

3.3 基于能量的抗震設計方法

結構在地震中的動力反應是一個耗散地震輸入能量的過程。1956年Housner最早提出能量分析概念,并研究了單自由度體系在地震作用下的極限設計,其后有研究者用能量譜來研究結構的彈塑性位移反應,提出了各種能量譜,如總輸入能量譜、滯回耗能譜、等效速度譜及吸收能量譜等等。L.P.Yc(葉列平)等人研究了基于能量概念的彈塑性最大位移反應,對Newmark等人提出的等位移準則和等能量準則提出了理論解釋。但當前基于能量設計方法還不成熟,還需要開展大量的研究。

3.4 基于損傷性能的抗震設計方法

對結構在地震作用下破壞準則的研究在20世紀80年代獲得了新的進展,研究重點從鋼結構轉向到量大面廣的鋼筋混凝土結構,人們普遍注意到了地震作用下結構的剛度、強度和滯回耗能的退化以及變形和能耗(疲勞)之間的相互影響。國內外學者根據試驗及理論分析已經發展了許多地震破壞損傷模型,使用損傷指數定量描述延性、滯回耗能等因素對結構破壞狀態的影響,越來越多地在結構損傷評估、地震加固評估中得到使用。

4 基于性能的抗震設計的研究難點

在采用基于性能抗震設計思想制定建筑抗震設計規范時,一個首要的問題是目標性能水平的劃分與確定。基于性能抗震設計要求實現多級設防,也就是在不同水平地震作用下,結構有明確的性能水平。通常采用結構變形來表示結構性能?？紤]到地震作用和結構材料等不確定性因素,使得結構實現既定性能也是不確定的,故為了合理的確定結構目標性能水平,就應該考慮這些不確定因素,這在以前的研究中也提到了這一點。而怎樣合理的確定這個目標水平,目前比較認可的方法是采用“投資—效益”準則來確定結構目標性能水平,使得在社會經濟允許的情況下,在建筑物整個生命周期內,總的費用達到最小。

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