基于性能的抗震設計

摘要：汶川等地震的發生讓人們看到抗震結構設計的重要性，超限高層結構設計采用基于性能的抗震設計理念和方法是可行的，采取比標準規范更加有效的抗震措施，基于性能的抗震設計理論可完善簡化的規范設計，為規范設計的不同性能水準提供一個有效的選擇，改進已有建筑的評估和翻新，改進和完善區域損失估算，提高歷史地震斟察的適用性，提高地震工程研究的效率，提高抗震性能并保證經濟效益。

關鍵詞：抗震結構設計基于性能的抗震設計

0 引言

汶川地震、玉樹地震和蘆縣地震使人們再次看到抗震結構設計的重要性，如何提高抗震性能又保證經濟效益，是我們面臨的一大問題。隨著經濟水平的提高，我國的超限高層建筑工程越來越多。這些工程在房屋高度、規則性等方面都不同水平地超過現行標準規范的適用范圍，如何進行抗震設計缺少明確具體的目標、依據和手段，按照《全國超限高層建筑工程抗震設防審查專家委員會抗震設防專項審查辦法》和《超限高層建筑工程抗震設防專項審查技術要點》等的要求，需要根據具體工程實際的情況，進行分析、研究，必要時還要進行試驗，從而確定采取比標準規范更加有效的抗震措施，設計者的論證還需要超限額審查，以期保證結構的抗震安全性能，這就提出了基于性能的抗震設計。

1 傳統的抗震設計方法局限性

按我國抗震規范進行抗震設計的建筑，其抗震設防目標是：當遭受低于本地區抗震設防烈度的多遇地震影響時，一般不受損壞或不需要修理可繼續使用，當遭受相當于本地區抗震設防烈度的地震影響時，可能損壞，經一般修理或不需修理仍可繼續使用，當遭受高于本地區抗震設防烈度預估的罕遇地震影響時，不致倒塌或發生危及生命的嚴重破壞，即“小震小壞，中震可修，大震不倒”的多級設計思想，但其實質是以保證人的生命安全為原則的一級設計理論。其設計方法采用：小震不壞采用結構線彈性驗算；中震可修及大震不倒采用加強結構構造措施及薄弱層彈塑性驗算。這樣設計的建筑物可以避免主體結構倒塌而保證人的生命，但地震所造成的正常使用功能的喪失和巨大的社會經濟損失，很可能會大大超出社會和業主可接受的程度。縱觀現行抗震理論和設計方法中存在的問題，可總結如下：①對損失的控制不力，對業主的要求難以滿足；②結構性能概念不明確，設計透明度小；③結構性能標準缺乏靈活性；④結構性能目標實現過程的誤區。

2 基于性能的抗震設計PBSD（Perform Based Seismic Design）

2.1 概念。近年來，地震工程學者從不同的角度致力于抗震設計原理與方法的完善，其中最引人注目的進展是以結構性能評價為基礎的抗震設計理論（Performance2based Seismic Design Theory）和基于結構性能的地震工程學（Performance2based Seismic Engineering）

美國ASCE-41 SEI對PBSD 的定義，在分析和設計中采用彈性靜力和彈塑時程分析，基于不同設防水準地震作用，達到不同的性能目標。來實現一系列的性能水準，不同的結構形式采用不同的性能水準，建議采用建筑物層間變形來定義結構和非結構構件的性能，而且ASCE-41SEI適合于設計方法從線性靜力延伸到彈塑性時程分析與多級性能水準結構的分析，可以利用隨機地震動概念提出了許多種性能目標。

美國ATC-40對PBSD的定義為“基于性能的抗震設計是指結構的設計準則由一系列可以實現的結構性能目標來表示，主要針對鋼筋混凝土結構并且建議采用基于能力譜的設計原理”。顯然，ATC-40建議使用能力譜方法對鋼筋混凝土結構進行抗震設計。

基于性能的抗震設計使抗震設計從宏觀定性的目標向具體量化的多重目標過渡，是建筑結構抗震設計的一個新的重要發展，業主設計者可選擇所需的性能目標，提出滿足性能要求的方案論證（結構體系、詳細分析、必要的試驗、抗震措施）來通過專門評估。

2.2 性能目標。建筑物抗震設計的性能目標指某一設定地震地面運動（如在給定年限內超越概率63%、10%和2%—3%的小震、中震和大震）下建筑的預期性能水準。根據圖1及圖2，可把結構的性能水平分為以下四個階段：

接近倒塌（Collapse Prevention,簡稱CP）

生命安全（Life Safety,簡稱LS）

基本運行（Immediate Occupancy,簡稱IO）

充分運行階段（Operational,簡稱OP）

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2.3 分析方法。①大震靜力彈塑性，又稱Push-over方法，在水平位移控制下推覆結構，按一定荷載分布形式施加水平荷載，施加豎向荷載后作為初始狀態，建立彈塑性模型，從而得到薄弱層和能力需求曲線交點（能力點）。②中震彈性，采用彈性分析程序對結構進行設計，通過設定內力調整參數及組合系數。③小震彈性。0.90.750.60.

450.30.150。④大震動力彈塑性，建立彈塑性模型，進行時程分析后可得結構的內力及變形響應。在施加豎向荷載后作為初始狀態，對結構施加地震波，基于性能的設計方法的關鍵在于結構彈塑性分析方法，而基于纖維模型的彈塑性時程分析方法是目前最可靠且效率高的方法之一，但塑性動力時程分析計算結果受到地震波以及構件恢復力和屈服模型的影響大，且計算分析工作繁瑣，只是能準確而完整地得出結構在罕遇地震下的反應全過程，要盡量使構件恢復力模型符合構件的實際特性，在設計重要高層建筑結構采用該法時，注意好各方面問題。

在這里還要提一下時程分析法中選取地震波的問題：時程曲線從地方地震設計部門提供的人工模擬曲線及實際記錄時程曲線中挑選。這些時程曲線分析后得到的小震下（63%超越概率）的基底剪力與規范振型反應譜產生的小震下的基底剪力作了比較，發現滿足規JGJ3-2002 Section 3.3.5的要求，即單個時程分析計算基底剪力結果應大于反應譜法結果的65%，時程分析的基底剪力結果的平均值應大于反應普法結果的85%。

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3 結語

3.1 基于性能的抗震設計是國際上一種發展趨勢，超限高層結構設計采用基于性能的抗震設計理念和方法是可行的，有利于技術進步和創新。基于性能的抗震設計理論可完善簡化的規范設計、為規范設計的不同性能水準提供一個有效的選擇、改進已有建筑的評估和翻新、改進和完善區域損失估算、提高歷史地震斟察的適用性、提高地震工程研究的效率等。

3.2 要不斷總結震害經驗，針對新結構、新技術進行試驗和理論研究，對計算方法要不斷改進完善。

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作者簡介：

閆懷青（1963-），男，山東人，現任廣空珠海辦事處主任，學士學位，研究方向為生態軍營建設、工程設計等。