結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)中基于性能的設(shè)計(jì)理論和方法

李來軍

(中國建材國際工程集團(tuán)有限公司，深圳 518054)

摘要：該文對(duì)抗震設(shè)計(jì)理論的發(fā)展過程進(jìn)行了簡單的介紹，并對(duì)基于性能的抗震設(shè)計(jì)理論的提出和設(shè)計(jì)方法進(jìn)行了一些闡述和討論。這種理論在現(xiàn)行規(guī)范以及工程中都已經(jīng)有了相關(guān)規(guī)定及實(shí)際應(yīng)用，成為了抗震設(shè)計(jì)理論進(jìn)一步發(fā)展完善的主要方向。

關(guān)鍵詞：抗震設(shè)計(jì)；基于性能的理論；性能目標(biāo)；時(shí)程分析法

doi:10.3963/j.issn.1674-6066.2015.04.020

Abstract:This paper gave several brief introduces on the various development stages of anti-seismic design theory, and also described the main contents and design methods of performance-based seismic design theory, as the main direction of anti-seismic design theory development.This theory has already have related regulations and actual applications in our life.

收稿日期：2015-04-20.

作者簡介：李來軍(1982-)，工程師.E-mail:lljdyx@hotmail.com

Performance-based Seismic Design Method on Structural

Seismic Design

LILai-jun

(China Triumph International Engineering Group Co,Ltd,Shenzhen 518054, China)

Key words:anti-seismic design；performance-based seismic design method；performance objective；time-history analysis method

地震作為一種很難預(yù)測的自然災(zāi)害，自古以來就時(shí)常給人類社會(huì)造成嚴(yán)重的影響，隨著全球經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和人口數(shù)量的增加，現(xiàn)代化城市的建設(shè)日趨復(fù)雜，地震帶來的直接破壞和次生災(zāi)害所引起的人身傷亡和經(jīng)濟(jì)損失也急劇增加。因此，自從人們在各種建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)施工過程中有意識(shí)地加入有關(guān)抗震的概念、方法以后，抗震設(shè)計(jì)的理論及方法就在不斷地發(fā)展。

結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)作為一個(gè)專門的學(xué)科發(fā)展方向，被研究的時(shí)間已有了一個(gè)世紀(jì)，從早期的抗震設(shè)計(jì)靜力法，發(fā)展到之后的彈性反應(yīng)譜理論，再到現(xiàn)在的動(dòng)力時(shí)程分析法，結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)理論大致上經(jīng)歷了三個(gè)主要階段。

靜力理論是指不考慮地震的動(dòng)力特性和結(jié)構(gòu)的動(dòng)力性質(zhì)，假定建筑物是剛性的，將地震作用簡化為等效的水平方向靜力，并使其作用在質(zhì)量中心，其大小相當(dāng)于建筑物的重量乘以與結(jié)構(gòu)特性無關(guān)的地震系數(shù)，結(jié)構(gòu)任意位置的加速度都等于地震動(dòng)加速度。

反應(yīng)譜理論是伴隨著強(qiáng)地震動(dòng)加速度觀測記錄的增多和對(duì)地震地面運(yùn)動(dòng)性質(zhì)的進(jìn)一步了解，以及對(duì)結(jié)構(gòu)動(dòng)力反應(yīng)特性的研究而發(fā)展起來的，這種理論以彈性反應(yīng)譜為基礎(chǔ)，將反應(yīng)譜同振型分解法相結(jié)合，結(jié)構(gòu)及構(gòu)件總的內(nèi)力通過各振型的內(nèi)力用振型組合的方法得到，這樣使得求解復(fù)雜多自由度體系的地震反應(yīng)簡單化。反應(yīng)譜理論考慮了結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性與地震動(dòng)特性之間的動(dòng)力關(guān)系，但仍把地震作用產(chǎn)生的內(nèi)力看作靜力，不能反映地震在其持續(xù)過程中對(duì)結(jié)構(gòu)的破壞影響，因此，只能稱之為準(zhǔn)動(dòng)力理論。

隨著上世紀(jì)后一階段計(jì)算機(jī)技術(shù)和工程試驗(yàn)技術(shù)的發(fā)展，結(jié)構(gòu)在強(qiáng)震作用下的非線性反應(yīng)過程的研究有了重要的基礎(chǔ)條件和極大的助力，伴隨著強(qiáng)震及結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)記錄的不斷積累，結(jié)構(gòu)抗震的動(dòng)力理論隨之形成。動(dòng)力時(shí)程分析法把地震看作一個(gè)時(shí)間過程，將結(jié)構(gòu)簡化為多自由度體系，輸入有代表性的地震波數(shù)據(jù)作為地面運(yùn)動(dòng)，計(jì)算后得到地震歷程中每一時(shí)刻結(jié)構(gòu)的內(nèi)力和變形的變化，并以此進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)。分析過程中輸入的是地震波的整個(gè)過程，且程序中也考慮了不同材料的性能變化及其引起的結(jié)構(gòu)剛度變化等非線性問題，因此可以真實(shí)反映出各個(gè)時(shí)刻地震作用引起的結(jié)構(gòu)響應(yīng)，包括內(nèi)力、位移、損傷形態(tài)等，相比較其它方法而言分析結(jié)果更為準(zhǔn)確可靠。

一直以來抗震設(shè)計(jì)的理念都是為了保證生命安全，實(shí)際震害經(jīng)驗(yàn)也表明這種設(shè)計(jì)思路基本上也達(dá)到了它的目的，但這種單一的、基于生命安全的抗震設(shè)計(jì)方法無法保證小、中震時(shí)建筑結(jié)構(gòu)的破壞，特別是附屬功能及各種設(shè)備等不屬于結(jié)構(gòu)構(gòu)件的中斷和損壞，而這些會(huì)導(dǎo)致多方面的嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失。隨著工程技術(shù)人員對(duì)抗震設(shè)計(jì)理論的進(jìn)一步思考，上世紀(jì)末期美國科學(xué)家和工程師首先提出了基于性能的抗震設(shè)計(jì)理論，這種理論的基本思想是即經(jīng)濟(jì)又可靠地保證被設(shè)計(jì)的建筑結(jié)構(gòu)在使用期間滿足各種預(yù)定功能或性能目標(biāo)要求，即在控制建筑和設(shè)施的地震破壞的同時(shí)，保持地震時(shí)正常的生產(chǎn)生活功能，減少地震危害。

1基于性能的抗震設(shè)計(jì)理論的主要內(nèi)容

基于性能的設(shè)計(jì)理論是設(shè)計(jì)者根據(jù)不同的設(shè)防目標(biāo)，將結(jié)構(gòu)的性能水準(zhǔn)劃分為不同的等級(jí)。根據(jù)建設(shè)者的要求，以結(jié)構(gòu)的抗震性能分析為基礎(chǔ)，選取合理的抗震性能目標(biāo)進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)，其主要內(nèi)容有以下幾點(diǎn)：

1)地震動(dòng)水準(zhǔn)，作為自然現(xiàn)象的地震有著很大的不確定性，性能化設(shè)計(jì)需要對(duì)不同水準(zhǔn)的地震作用進(jìn)行預(yù)先估計(jì)，同時(shí)也要考慮不同地方發(fā)生地震時(shí)近場地震的影響。我國規(guī)范中按照基準(zhǔn)期50年對(duì)應(yīng)的不同超越概率，給出的地震作用有多遇地震、設(shè)防地震和罕遇地震。結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)的基準(zhǔn)期是抗震規(guī)范確定地震作用取值時(shí)選用的統(tǒng)計(jì)時(shí)間參數(shù)，與國內(nèi)外一般建筑結(jié)構(gòu)取用的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使用年限一致，均為50年。不同設(shè)防地震的基本加速度值及加速度時(shí)程最大值在抗震規(guī)范中均有給出，對(duì)于設(shè)計(jì)使用年限不到50年的結(jié)構(gòu)，其地震作用取值需經(jīng)過專門研究及批準(zhǔn)后確定。

2)結(jié)構(gòu)抗震性能目標(biāo)，結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)的性能目標(biāo)是對(duì)應(yīng)于不同地震動(dòng)水準(zhǔn)而預(yù)估出現(xiàn)的預(yù)期損壞狀態(tài)或使用功能，我國的相關(guān)規(guī)范提出的“小震不壞、中震可修、大震不倒”這三個(gè)水準(zhǔn)的要求，明確大震時(shí)不發(fā)生危及生命的嚴(yán)重破壞，保證生命安全就是屬于一般情況的性能設(shè)計(jì)目標(biāo)?！犊挂?guī)》及《建筑地震破壞等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)》中對(duì)地震破壞分級(jí)和直接經(jīng)濟(jì)損失估計(jì)方法都有明確劃分，總體上分為基本完好、輕微損壞、中等破壞、嚴(yán)重破壞及倒塌這五個(gè)結(jié)構(gòu)的性能水準(zhǔn)，這與國外標(biāo)準(zhǔn)的一些描述并不完全相同，對(duì)應(yīng)于上述等級(jí)劃分，規(guī)范中也給出了4個(gè)可選的高于一般情況的抗震性能目標(biāo)級(jí)別。

結(jié)構(gòu)性能目標(biāo)的建立需要綜合考慮抗震設(shè)防類別、設(shè)防烈度、場地特征，結(jié)構(gòu)類型、功能，投資大小、震后的損失與修復(fù)難度，潛在的歷史、文化價(jià)值及業(yè)主的承受能力等諸多因素。同時(shí),性能目標(biāo)可根據(jù)需要分別選定整個(gè)結(jié)構(gòu)、結(jié)構(gòu)的某些關(guān)鍵部位、重要構(gòu)件、次要構(gòu)件以及建筑、機(jī)電構(gòu)配件等，具有很強(qiáng)的針對(duì)性和靈活性?？紤]到地震運(yùn)動(dòng)的不確定性、結(jié)構(gòu)在強(qiáng)震下的非線性分析方法本身存在的經(jīng)驗(yàn)因素，以及工程在實(shí)際震害中抗震性能的判斷難以做到十分準(zhǔn)確，規(guī)范中對(duì)于性能目標(biāo)的選擇是傾向于偏安全一些的。

3)結(jié)構(gòu)性能設(shè)計(jì)的量化指標(biāo)，設(shè)計(jì)過程中性能目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)需要落實(shí)到若干具體的設(shè)計(jì)指標(biāo)，以便應(yīng)用于具體的工程設(shè)計(jì)，如不同地震動(dòng)水準(zhǔn)下結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的承載力、變形以及細(xì)部構(gòu)造等?！犊挂?guī)》中對(duì)結(jié)構(gòu)構(gòu)件實(shí)現(xiàn)抗震性能要求所需要的抗震承載力、變形能力以及構(gòu)造的抗震等級(jí)，均有對(duì)應(yīng)條文規(guī)定，對(duì)于不同性能水準(zhǔn)要求的構(gòu)件承載力復(fù)核所涉及的地震內(nèi)力計(jì)算和調(diào)整、地震作用效應(yīng)組合、材料強(qiáng)度取值和驗(yàn)算方法等，也有不同組合公式的表達(dá)方式。整個(gè)結(jié)構(gòu)不同部位構(gòu)件的抗震性能要求不盡相同，當(dāng)以提高抗震承載力安全性為主時(shí)，結(jié)構(gòu)構(gòu)件對(duì)應(yīng)于不同性能要求的承載力參考指標(biāo)；而當(dāng)需要按照殘余變形確定使用性能的時(shí)候，結(jié)構(gòu)構(gòu)件除了滿足提高抗震安全性的性能要求外，不同性能要求的層間位移也對(duì)應(yīng)有相應(yīng)的參考指標(biāo)；結(jié)構(gòu)構(gòu)件細(xì)部的構(gòu)造對(duì)應(yīng)不同性能要求的抗震等級(jí)，結(jié)構(gòu)中的不同構(gòu)件可按各自最低的性能要求選用對(duì)應(yīng)的抗震等級(jí)。

4)結(jié)構(gòu)抗震性能化設(shè)計(jì)的計(jì)算分析和工程判斷，結(jié)構(gòu)抗震的性能化設(shè)計(jì)仍然是以目前現(xiàn)有的科學(xué)技術(shù)水平為前提條件的。

現(xiàn)階段的計(jì)算機(jī)等相關(guān)學(xué)科技術(shù)水平相比較上世紀(jì)中后期，已經(jīng)有了很大的發(fā)展，與各種軟件技術(shù)以及不斷改進(jìn)的抗震設(shè)計(jì)理論相結(jié)合后，產(chǎn)生了許多不同類型的設(shè)計(jì)應(yīng)用軟件，極大地豐富了建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的手段，提高了設(shè)計(jì)效率。

分析論證結(jié)構(gòu)抗震性能的重點(diǎn)是通過深入的計(jì)算分析和工程判斷，找出結(jié)構(gòu)的薄弱部位，采取針對(duì)性的抗震措施。現(xiàn)在的結(jié)構(gòu)計(jì)算基本上都是在計(jì)算機(jī)軟件中建立模型加以計(jì)算分析，而分析模型是否正確，將直接關(guān)系到結(jié)果的合理性和可信程度。因此，經(jīng)過合理簡化后，仍能正確反應(yīng)結(jié)構(gòu)的實(shí)際工作情況，這是結(jié)構(gòu)計(jì)算分析最基本的前提條件。在軟件設(shè)置中，對(duì)整體結(jié)構(gòu)、構(gòu)件及節(jié)點(diǎn)的各種計(jì)算參數(shù)要力求正確合理，有時(shí)還要輔以必要的工程試驗(yàn)，以補(bǔ)充設(shè)計(jì)依據(jù)。性能化設(shè)計(jì)通常都會(huì)考慮強(qiáng)烈地震下構(gòu)件的彈塑性工作階段和重力二階效應(yīng)，而目前的軟件在彈塑性分析所需參數(shù)、軟件對(duì)于裂縫狀態(tài)和殘余變形的模擬、結(jié)構(gòu)阻尼系數(shù)的賦值、構(gòu)件實(shí)際配筋與計(jì)算值的差異等方面仍需要進(jìn)一步的分析研究。

中震或大震時(shí)的構(gòu)件受剪承載力驗(yàn)算，應(yīng)根據(jù)整個(gè)結(jié)構(gòu)不同部位進(jìn)入彈塑性階段程度的不同而采用不同的方法。當(dāng)構(gòu)件總體上處于開裂階段或剛剛進(jìn)入屈服階段，可以采用等效剛度和等效阻尼，按等效線性方法簡化模型進(jìn)行估算。構(gòu)件總體上處于承載力屈服至極限階段，宜采用靜力或動(dòng)力彈塑性分析方法估算。構(gòu)件總體上處于承載力下降階段，應(yīng)采用計(jì)入下降段參數(shù)的動(dòng)力彈塑性分析方法估算。而對(duì)于彈塑性計(jì)算結(jié)果，可結(jié)合彈性假定的計(jì)算結(jié)果對(duì)比分析，對(duì)一些復(fù)雜的結(jié)構(gòu)體系還應(yīng)注意作必要的補(bǔ)充計(jì)算分析。時(shí)程分析法的目的在于發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)構(gòu)件在中震及大震下的承載力和變形規(guī)律，適合于對(duì)結(jié)構(gòu)整體性能的把握和驗(yàn)證。

彈塑性變形通常比彈性變形大很多，同時(shí)不同軟件在模型處理及有限元等相關(guān)支持理論等也有些許不同，再有不同的設(shè)計(jì)人以及不同的經(jīng)驗(yàn)等因素。因此，彈塑性分析相比彈性靜力分析有更大的不確定性，這要求設(shè)計(jì)人員對(duì)采用軟件的適用性要有相當(dāng)程度的了解。當(dāng)計(jì)算結(jié)果不合理或者存在怪異問題時(shí)，可能還需要結(jié)構(gòu)與軟件設(shè)計(jì)人員共同分析解決。

2性能化設(shè)計(jì)與抗震概念設(shè)計(jì)的關(guān)系

進(jìn)行性能化抗震設(shè)計(jì)的一項(xiàng)主要工作是對(duì)結(jié)構(gòu)方案進(jìn)行分析，以確定是否采用性能化設(shè)計(jì)方法，包括場地條件、結(jié)構(gòu)類型及高度、規(guī)則性等內(nèi)容，而這些均屬于抗震概念設(shè)計(jì)的范疇。事實(shí)上現(xiàn)在幾乎所有的建筑結(jié)構(gòu)在開始設(shè)計(jì)時(shí)，首要進(jìn)行的都是概念設(shè)計(jì)，而且一個(gè)抗震設(shè)計(jì)是否合理，在很大程度上取決于是否有一個(gè)好的概念設(shè)計(jì)。需要采用性能化設(shè)計(jì)的工程，很多的初始方案都不能完全滿足抗震概念設(shè)計(jì)的要求，這時(shí)就需要結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員與建筑等相關(guān)專業(yè)設(shè)計(jì)人員商議協(xié)調(diào)，盡量減少結(jié)構(gòu)中不符合概念設(shè)計(jì)的情況和程度，在《抗規(guī)》中明確規(guī)定不應(yīng)采用嚴(yán)重不規(guī)則的建筑，對(duì)于特別不規(guī)則的建筑應(yīng)進(jìn)行專門研究和論證，如進(jìn)行性能化抗震設(shè)計(jì)，則需要慎重選用結(jié)構(gòu)的抗震性能目標(biāo)。

3結(jié)語

基于性能的抗震設(shè)計(jì)綜合考慮了生命安全與經(jīng)濟(jì)損失兩方面的要求，使得“多級(jí)設(shè)防”的理念更加具體化，是解決復(fù)雜超限結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)問題的有效手段和重要方法之一，這個(gè)理論在我國也已經(jīng)有了一系列的研究和發(fā)展。新編制施行的規(guī)范和規(guī)程中對(duì)這一理論有著日漸詳細(xì)的規(guī)定和條文說明，也使得這一設(shè)計(jì)方法在工程實(shí)踐中的可操作性不斷提高?，F(xiàn)在，基于性能的抗震設(shè)計(jì)理論已經(jīng)成為了抗震設(shè)計(jì)理論的發(fā)展方向，對(duì)結(jié)構(gòu)工程的設(shè)計(jì)和發(fā)展具有重大意義。

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