結構基于性能的抗震設計分析討論

王東波 劉滿紅

(太原理工大學建筑與土木工程學院，山西太原 030024)

1 概述

基于性能的抗震設計理論是20世紀90年代初由美國學者提出，旨在使結構在未來的地震災害下能夠維持一定的性能水平。是一種更合理的設計理念，將是未來結構抗震設計的發展方向，目前已引起了各國的廣泛重視。

日本在1995年開始進行了“建筑結構的新設計框架開發”項目研究，為期3年，并總結了研究成果。在此基礎上實施了新的基于性能的建筑基準法。

中國建筑科學研究院工程抗震研究所聯合國內部分高校和研究所開展了“我國2000年工程抗震設計模式規范”的研究，并在《建筑結構學報》中介紹了研究成果。目前正在修訂的國家標準《混凝土結構設計規范》《建筑抗震設計規范》擬納入基于性能的抗震設計方法。

2 基于性能的抗震設計的基本概念及設計方法

2.1 基于性能的抗震設計的基本概念

我國抗震設計規范提出“三水準，兩設防”的設計方法。地震設防水準是指在未來一段時間內可能作用于場地的地震作用的大小，或者說，應選擇多大強度的地震作為防御的對象。中國地震風險水平見表1。

表1 中國地震風險水平

對應的“小震不壞，中震可修，大震不倒”三水準，相應的地震最大影響系數的比值1∶2.8∶(4.5～6)。這種設計方法雖然在大震情況下不至于倒塌，避免了人們的生命安全的損失，但是結構倒塌造成的各種經濟損失以及重新修復等措施，會給社會災后重建帶來更重的負擔。而改進這種抗震設計方法使損失降至可控范圍，這就需要對結構進行基于性能的抗震設計。

2.2 基于性能的抗震設計方法

1)承載力設計方法。承載力設計方法是在實際工程應用中比較常見的一種設計方法，通過非線性靜力分析(Push-over)進行設計驗算，可以對結構非線性變形進行控制，并能達到預期的性能目標，但是對于結構進入彈塑性階段時，該方法需要對結構進行折減，故在一定程度上失真。

2)基于位移進行抗震的設計方法。將位移作為整個結構抗震設計的起點，假定位移或層間位移是抗震性能的控制因素，以位移作為設計變量。根據預期位移計算地震作用，進行結構設計，使構件達到預期的變形，結構達到預期的位移。

結構的側移形狀按滿足性能水平的層間側移角來控制。直接基于位移的抗震設計方法僅考慮了結構第1振型，僅對中低層建筑結構的抗震設計適用，對于高層及復雜結構會產生較大誤差。

3)能力譜法。基本思想:在同一圖上繪制兩條譜曲線，一條是將力—位移曲線轉化為能力譜曲線，另一條為將加速度反應譜轉化為需求譜曲線，兩條曲線的交點為“目標位移點”，亦稱“性能點”。建立能力曲線和需求曲線是能力譜法的關鍵。其交點對應的位移為等效單自由度體系的等效位移，再將其轉化為原結構的頂點位移，即“目標位移”。

4)基于位移延性系數的設計方法。也稱作截面變形能力設計方法，是根據對截面的屈服曲率確定位移延性比需求，從而計算出需達到的曲率延性比。

3 實際工程中的應用

本文對結構的非線性分析，采用彈塑性靜力或彈塑性動力分析方法，而動力分析中合理的選取地震波比較困難，故實際應用中彈塑性靜力分析(Push-over)被廣泛應用。

彈塑性靜力分析方法可以通過對需求譜曲線與能力譜曲線的交點，也就是性能點來參考結構在地震作用下的效應，分析的結果主要根據性能點處所對應的結構變形，如層間位移角是否滿足抗震設計規范規定的層間位移角限值、梁柱的塑性鉸出現塑性變形是否超出某一水準下地變形要求等。

4 結語

基于性能的抗震設計是以結構抗震性能分析為基礎的，使結構在未來不同的抗震等級的地震作用下達到預期的抗震性能目標，克服了基于承載力抗震設計不能預估結構屈服后抗震性能的缺陷。但基于性能的抗震設計仍存在一些問題，有待于今后工作中作進一步研究。

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