基于性能的抗震設計方法研究

龐 輝

（北華大學汽車與建筑學院，吉林 吉林 132000）

0 引言

地震造成的損失巨大，給社會的經濟和人們的心理都帶來了很大的負面效應，超出了人們所能接受的能力。“小震不壞、中震可修、大震不倒”的抗震設防目標，雖保障了人的生命安全，但隨著人口城市化進程的加快和科學技術發展的今天，已不再是一種完美的設計理念。

基于對上述問題的深刻反思，美國學者Bertero 在20 世紀90 年代初期，首先提出了基于性能的抗震設計理論的新概念。這個理念的提出，得到了各國學者的廣泛關注和興趣。并展開了多方面的研究。目前，美國、新西蘭、日本和歐洲等國家都把基于性能的抗震設計理論作為改進抗震設計方法、完善抗震設計規范的重要研究課題。

基于性能的抗震設計理論實際上是一個總體設計思想，主要指結構在受到不同水平地震(不同概率地震)作用下的性能達到一組預期的性能目標。這一理論的提出，是結構抗震設計思想的一次重大變革，它使抗震設防目標由傳統的以生命安全為單一設防目標轉為綜合考慮生命安全與財產損失兩方面的具體要求，強調了“個性”設計。目前，普遍的觀點認為，基于性能的抗震設計理論主要包括以下內容：確定設防水準，劃分結構的性能水平，選擇合適的性能目標確定抗震的性能準則，研究抗震性能的分析方法，研究基于抗震性能的設計方法，制定基于性能的抗震設計規范。

1 基于性能的抗震設計方法

基于位移抗震設計方法

為實現性能抗震設計思想，可以借助多種方法，如傳統的基于強度的設計方法、基于位移、能量、損傷的設計方法等。但就目前的研究水平而言，把性能設計應用到實際設計中主要有兩種方法[1-2]，分別是基于強度的抗震設計方法和基于位移的抗震設計方法。

與傳統的設計相比，基于性能的抗震設計方法從根本上改變了設計過程。主要不同是：這種設計思想直接以目標位移作為設計變量。采用基于位移的抗震設計方法，可以在結構設計初始就明確結構的性能設計水平，并且使設計的結構性能正好達到目標性能水平，而不是傳統設計時給出一個限值。采用結構對應的最大位移進行變形設計，這與結構實際情況更為相符。

基于性能的抗震設計是指：根據結構的重要性和用途，提出不同的抗震設防水準和預期的性能目標，使設計的結構在未來地震中具備預期功能，從而使結構在整個生命期內，在遭遇可能發生的地震作用下，總的費用達到最小。當前，國內外對基于性能的抗震設計開展的研究工作主要集中在以下幾個方面：

1）多級抗震設防水準的確定

抗震設防水準是指工程設計中，根據工程所在的地震環境和已定的設防目標，并考慮具體的社會經濟條件來確定采用多大的設防參數，或者說應采用多大的強度作為防御的對象[3-4]。基于性能的抗震設計要求能預期結構在未來可能發生的地震作用下的抗震性能，即在抗震設防水準和性能水準之間建立起某種對應關系，因此，抗震設防水準的確定在基于性能的抗震設計中占有重要地位。

2）多級抗震性能水準的確定

性能水準，是指結構在某一特定抗震設防水準下預期破壞的最大程度。基于性能的抗震設計趨勢是將結構構件、非結構構件等多種因素考慮進去，結構、非結構構件的破壞及其起的后果都被認為是性能水準。由此劃分的抗震性能水準要更具體細致，使人們的選擇范圍更靈活。

3）可行的結構設計與分析方法

基于性能的抗震設計要求建立適合于在多級抗震設防水準下實現多級性能水準的結構設計與分析方法。

性能水準有兩種彼此關聯的表示方式：一種是定性的描述，另一種是定量的描述。前者主要針對非專業人員，如關于破壞程度、運營情況等的描述；后者主要針對專業人員，用于設計、維修、評估等，采用的指標通常為位移、延性系數等。

基于性能的抗震設計思想是一種基于投資和效益平衡的多級抗震設防思想，即要求在不同水準的地震作用下，根據結構的重要性、用途或業主的要求確定。同傳統的抗震設計思想相比，基于性能的抗震設計思想主要有以下幾個特點：

1）性能目標的多級性，即在不同的地震設防水準下，結構應滿足不同等級的性能要求；對重要的結構，其性能目標要高于一般結構。

2）性能目標的可選性。在基于性能的抗震設計中，可以在滿足規范的前提下，根據結構的用途及業主、使用者等的特殊要求，由工程師同業主、使用者共同研究制訂結構的性能目標。這樣，不僅可以滿足不同業主提出的設計要求，發揮研究者、設計者的創造性，同時也有利于新材料和新技術的應用。

3）結構抗震性能的可控制性。在基于性能抗震設計中，在設計初始就明確結構的性能目標，并且使通過設計，使結構在各級地震作用的反應能夠達到預先確定的性能目標，因而結構的抗震性能是可以預測和控制的。

結構抗震性能目標是針對某一地震設防水準而期望達到的抗震性能等級。結構抗震性能目標的建立需要綜合考慮結構本身和社會效應的諸多因素。Vision2000 委員會建議將結構抗震性能目標分為三個等級：基本設防目標、重要設防目標和特別設防目標。基本設防目標是一般建筑設防的最低標準；重要設防目標是醫院、公安消防、學校、通訊等重要建筑設防的最低標準；特別設防目標是含核材料等特別危險物質的特別重要的建筑的最低設防標準。

2 結論

基于性能的抗震設計理論的研究是一項有重要意義的課題，它的研究與發展有待國內外土木工程界和地震工程學界的共同努力。目前需要研究的問題有：

（1）對結構性態進行準確的評估；

（2）結構性態的明確說明；

（3）新型結構和特殊結構(如隔震或耗能減震結構)的基于性態設計的研究。

［1］PriestleyM.J.N.Performance based seismic design12th Word Conference on Earthquake Engineering，Auckland，2000，Paper No.2831[Z].

［2］Fajfar，P.krawinkler，Helmut.Seismic design methodologies for the next generation of codes：Proeeedings of the Intemational Workshop on Seismic Design Methodologies for the Next Generation of codes[Z].Bled，Slovenia，June1997.

［3］張新培.基于性能的抗震結構設計理論的若干進展[J].四川建筑科學研究，2001(1)：34-35.

［4］馬玉宏，謝禮立.考慮地震環境的設計常遇地震和罕遇地震的確定[J].建筑結構學報，2003，23(1)：43-47，67.