建筑結構基于性能的抗震設計理論及方法

黃鶴 王佳蕾

摘要：通過將現行抗震設計理論與文章所討論的基于性能的抗震設計理論進行簡單比較，為不斷完善基于性能抗震設計理論并能廣泛應用到各建筑領域，將地震所帶來的各類損失與傷亡影響降到最低為目的。建筑結構基于性能的抗震設計理論是當今世界抗震設計的主流趨勢，文章對該設計理論與方法加以闡述，介紹該理論的提出與發展概況，設計方法并加以簡要綜述。

關鍵詞：抗震設計；基于性能；設計理論；設計方法；位移影響系數法；能力譜法；直接位移設計法

中圖分類號：TU352 文獻標識碼：A 文章編號：1009-2374（2012）03-0050-02

近100年來，隨著人們對地震的運動特征和反應特征的探索和認識逐步加深，人類科技水平不斷提高，對于建筑結構的抗震設計及方法也在不斷的完善。各類理論在通過地震的考驗后逐漸發展、全面、多樣化，其中基于性能的抗震設計理念是為當下各國所大力發展的。

一、建筑結構基于性能的抗震設計概況

（一）基于性能的抗震設計的提出

20世紀90年代初，美國學者首先提出了這項設計理論，以改進基于承載力的傳統設計理念，用量化的抗震指標來控制建筑抗震性能，隨即被各國所重視。該項設計理論基礎是結構性能分析，根據用途和要求確定性能，使建筑物在面對不同的地震等級中達到預期抗震目標。

1995年，美國的放眼21世紀委員會提出了基于性能抗震設計的框架，此專項研究得到美國政府大力支持與資助，并進行了有前瞻性的多方面研究。此后，澳大利亞、日本、新西蘭、英國、智利等國家也在多方資助下，為推進此專項研究，成立了各類委員會，包括評估、分析、協調、規范等，在對這項理論進行了大量的研究后，均提出和采用了力求達到國際一體化要求的一系列抗震設計理論。

我國在這項理論的研究上起步較晚，為了與國際規范同步，我國在與美國等在這項研究領域取得先進成果的國家進行學術交流、學習中，對這項理論進行專項研究并引入理論，許多中國高校也開展了專項研究，旨在不斷發展和完善出符合我國國情的性能抗震設計理論，并取得了一定的研究成果。

（二）性能抗震設計理念的特點

通過對現行抗震設計理論的實踐，可以對兩者進行對比，以得到性能抗震設計理念的特點。

1．多級設防。相對于現行的三階段設防目標（小震不壞、中震可修、大震不倒），性能抗震設計注重多級設防，保護非結構件與內部設施，后者的設計理念既保證使用者安全，又減輕業主和社會的經濟損失與壓力。

2．投資效益準則。性能抗震設計偏重于安全、經濟等多方面。在安全與經濟之間找到合理、平衡的切入點，確定最佳方案，以優化設計為目的。

3．自由度大。相比較傳統抗震設計刻板的被動狀態，性能抗震設計可根據業主的要求確定目標，給設計帶來新的動力。

（三）性能抗震設計目標

目標為在不同地震等級的作用下，建筑物結構能達到預期所應達到的水平。最大程度的在經濟與結構可靠性上找到合理的平衡點。建立設計目標需要考慮場地、結構所需功能、建筑重要性、損失與重建等各方面的因素。

（四）設計設防水準

1．地震設防水準。抗震設計設防對象所選擇的地震強度，直接決定建筑物的抗震能力，如何確定設防水準在基于性能抗震設計中有決定性的地位。應取決于優化后的經驗基礎上來確定并根據地震參數及烈度作設防水準。

2．結構性能水準。地震等級作用下對建筑物預期破壞最大程度。除了對主體結構破壞帶來的損失有控制力外，還要注重對非主體、內設施的損壞的控制。因此，能兼顧主體、非主體結構破壞程度的結構性能水準才是合理、科學的。

（五）現行抗震設計局限性

1．現行抗震設計很少對建筑結構在地震發生時的性能進行評估，只是按規范標準設計。

2．業主與使用者并不了解所使用的建筑結構的抗震性能。

3．經濟評估準則并沒有在建筑業中得到廣泛應用。

（六）現行抗震設計理念存在問題

1．設計參數選擇不當。我國現行抗震設計基于強度或承載力，但經實踐表明建筑物結構的抗震不僅基于強度。

2．性能概念不明確。現行設計規范對多級設防的目標描述較模糊，業主追求最經濟的方案，設計人員追求單純的重力承載，基礎未能處于科技的評價之上，導致面臨地震時損失的加重。

3．損失控制不力。現行設計理念除了重視主體結構損壞造成損失外，對非主體結構、內部設施損壞所帶來的損失容易忽視。

4．刻板的規范標準。設計者走不出以往設計規范標準的條框，約束了設計人員的主動性。

5．設計方法的欠缺。現行的設計方法偏于保守，限制了新技術的應用。

二、基于性能的抗震設計方法

（一）性能抗震設計階段

1．概念設計。根據用途和業主的要求，合理確定設防目標，通過場地、建筑平面等進行初步設計。

2．計算設計。根據預定的設防目標，計算出能影響各類因素的抗震參數，參數與預定目標不符要及時修改，直至滿足參數需求。以基于位移的抗震性能設計為例，主要包括步驟有確定不同強度地震作用下性能目標；根據初步設計，確定結構內的位移的極限值；通過等效阻尼比等各類等效數值，確定等效剛度；設計采用必需的構造措施；評價結構強度要求和變形能力。以嚴謹、科學、合理的態度進行評估，如計算階段有不符合，則需重復計算設計步驟，以不斷完善結構設計。

3．性能評估。通過各類的分析法得出設計結果來確定該建筑結構的性能。

（二）性能抗震設計方法

目前大致主要有：位移影響系數、能力譜、直接位移設計等方法。

1．位移影響系數法。基于結構性能設計方法，通過分析得出的最大期望位移值，利用等效方法、模態進行確定。以達到此系數的修正作用。此方法還存在著由于它是整體抗震評估方法，無法具體體現主要結構、樓層的損壞情況與抗震水準等問題。

2．能力譜法。1975年被提出，隨后不斷改進。能力譜設計是將能力譜曲線與地震反應譜轉化而來的需求譜，進行比較來評估其抗震性能。此方法側重對結構的實際性能進行驗算、評估。另外，能力譜設計法比較適用于平面結構可簡化且分布較均勻的結構，否將會產生不小的誤差。

3．直接位移設計法。側重于結構性能設計，概念簡單，根據地震等級來預期位移計算，使結構達到預定位移。此方法也存在著只能從建筑結構材料的極限變化得到數值，而不能考慮到預期以外的強震效應的不足。

三、結語

建筑結構基于性能的抗震設計是比較寬泛的體系，它是現行抗震設計的延續與發展，以結構性能分析作為基礎，建筑物的性能目標以全面、科學的因素來確定，使建筑物在面對不同等級的地震時，能達到預期的抗震目標。與傳統抗震設計相比，優點明顯：基于性能抗震相較于以往更系統化；性能抗震設計的適應性、連貫性更好，應用意義更大；靈活性的加大，使設計人員能發揮創造性，增加對新技術、新材料的推廣應用等。性能抗震設計方法也需要解決一些設防水準數據化的劃分，合理的參數取值范圍介定等問題，才能更好的服務于社會經濟建設，達到符合我國國情的設計規范。

參考文獻

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（責任編輯：趙秀娟）