鄭國(guó)群

20世紀(jì)80年代以來(lái)世界上發(fā)生的幾次破壞性地震震害表明,按照現(xiàn)行抗震設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)物發(fā)生地震倒塌的概率很小,地震所造成的人員傷亡數(shù)量顯著下降,但地震引起的經(jīng)濟(jì)損失卻令人震驚。隨著社會(huì)工業(yè)化進(jìn)程的加快和物質(zhì)文明的迅猛提高,業(yè)主或社會(huì)團(tuán)體對(duì)一些重要結(jié)構(gòu)物在地震中的性能提出了更高的要求,當(dāng)前的抗震設(shè)計(jì)方法已經(jīng)不能滿足這種需求。

基于對(duì)現(xiàn)代地震經(jīng)驗(yàn)和教訓(xùn)的深刻反思,美國(guó)學(xué)者于20世紀(jì)90年代初提出了基于性能的抗震設(shè)計(jì)(Performance-Based Seismic Design,簡(jiǎn)稱PBSD)理論新概念,這是工程抗震發(fā)展史上的一個(gè)重要里程碑。

1 基于性能的結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)的概念

盡管目前基于性能的抗震設(shè)計(jì)得到國(guó)際上廣泛的重視與研究,也得到了一些初步的成果。但是對(duì)于基于性能的抗震設(shè)計(jì),現(xiàn)在還沒有一個(gè)統(tǒng)一的定義。比較有權(quán)威性的是美國(guó)SEAOC,ATC和FEMA等組織給出的基于性能設(shè)計(jì)的描述。其中SEAOC對(duì)基于性能抗震設(shè)計(jì)的描述是“性能設(shè)計(jì)應(yīng)該是選擇一定的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn),恰當(dāng)?shù)慕Y(jié)構(gòu)形式,合理的規(guī)劃和結(jié)構(gòu)比例,保證建筑物的結(jié)構(gòu)與非結(jié)構(gòu)的細(xì)部構(gòu)造設(shè)計(jì),控制建造質(zhì)量和長(zhǎng)期維護(hù)水平,使得建筑物在遭受一定水平地震作用下,結(jié)構(gòu)的破壞不超過一個(gè)特定的極限狀態(tài)”。ATC對(duì)基于性能抗震設(shè)計(jì)的描述為“基于性能抗震設(shè)計(jì)是指結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)由一系列可以取得的結(jié)構(gòu)性能目標(biāo)來(lái)表示。主要針對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)并且采用基于能力的設(shè)計(jì)原理”。FEMA對(duì)基于性能抗震設(shè)計(jì)的描述為“基于不同強(qiáng)度地震作用,得出不同的性能目標(biāo)。在分析和設(shè)計(jì)中采用彈性靜力和彈塑性時(shí)程分析來(lái)得到一系列的性能水平,并且采用建筑物頂點(diǎn)位移來(lái)定義結(jié)構(gòu)和非結(jié)構(gòu)構(gòu)件的性能水平,不同的結(jié)構(gòu)形式采用不同的性能水平”。

2 基于性能的抗震設(shè)計(jì)與現(xiàn)行抗震設(shè)計(jì)的比較

PBSD與當(dāng)前抗震設(shè)計(jì)方法的主要區(qū)別如下:

1)PBSD使用多級(jí)性能目標(biāo)進(jìn)行抗震設(shè)計(jì),而目前抗震設(shè)計(jì)方法盡管也提到“三水準(zhǔn)設(shè)防”,實(shí)際通過“兩階段設(shè)計(jì)”實(shí)現(xiàn),即“小震”作用下進(jìn)行強(qiáng)度設(shè)計(jì),“大震”作用下進(jìn)行彈塑性變形驗(yàn)算,保證結(jié)構(gòu)不發(fā)生倒塌,認(rèn)為“中震可修”的性能目標(biāo)隱含自動(dòng)滿足,本質(zhì)上是以保證生命安全為目標(biāo)的。2)PBSD的性能水準(zhǔn)是對(duì)結(jié)構(gòu)彈塑性反應(yīng)的深刻認(rèn)識(shí)基礎(chǔ)上提出的,所使用的量化指標(biāo)(如位移、塑性轉(zhuǎn)角等)能夠反映結(jié)構(gòu)的真實(shí)破壞狀態(tài),可以在設(shè)計(jì)和性能評(píng)估中直接使用,從而保證抗震結(jié)構(gòu)具有可靠的性能。而當(dāng)前規(guī)范的性能參數(shù)比較模糊,在設(shè)計(jì)中不具有可操作性,使得我們無(wú)法可靠地了解抗震結(jié)構(gòu)在實(shí)際地震中的性能。3)當(dāng)前抗震設(shè)計(jì)方法是基于強(qiáng)度的抗震設(shè)計(jì)方法,而基于性能抗震設(shè)計(jì)目前還沒有統(tǒng)一的設(shè)計(jì)方法,但不少學(xué)者提出采用基于位移的抗震設(shè)計(jì)方法。4)在基于性能抗震設(shè)計(jì)框架內(nèi),社會(huì)團(tuán)體、業(yè)主可以根據(jù)結(jié)構(gòu)的重要性及其預(yù)期經(jīng)濟(jì)損失,自主選擇不同的性能目標(biāo)。而在當(dāng)前的規(guī)范框架內(nèi),只有設(shè)計(jì)人員參與結(jié)構(gòu)抗震設(shè)防決策,業(yè)主并不了解結(jié)構(gòu)的抗震性能,同時(shí)也限制了設(shè)計(jì)人員的創(chuàng)造性。

PBSD與當(dāng)前抗震設(shè)計(jì)方法的聯(lián)系如下:1)目前,盡管抗震設(shè)計(jì)方法有了很大的進(jìn)步,計(jì)算方法也有了很大的改進(jìn)。但鑒于抗震設(shè)計(jì)的復(fù)雜性以及我們認(rèn)識(shí)的局限性,還不能夠完全依靠計(jì)算來(lái)確保結(jié)構(gòu)安全可靠。2)基于性能抗震設(shè)計(jì)與現(xiàn)行抗震設(shè)計(jì)都要針對(duì)建筑場(chǎng)地作地震危險(xiǎn)性分析。相對(duì)于目前的地震危險(xiǎn)性分析,基于性能抗震設(shè)計(jì)要求做得更細(xì)致、更具體。3)由于抗震設(shè)計(jì)中存在大量不確定因素,尤其是地震作用在強(qiáng)度、時(shí)間和空間都具有很強(qiáng)的不確定性,所以目前針對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)時(shí),考慮了地震作用、材料強(qiáng)度和計(jì)算模式的隨機(jī)性。基于性能設(shè)計(jì)在針對(duì)整個(gè)建筑進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí),同樣要考慮這些不確定因素。

3 基于性能的抗震設(shè)計(jì)方法

3.1 基于強(qiáng)度的抗震設(shè)計(jì)方法

當(dāng)前的抗震規(guī)范大多采用了基于強(qiáng)度的設(shè)計(jì)方法,使用強(qiáng)度折減系數(shù)對(duì)彈性分析得到的地震力進(jìn)行折減,用來(lái)進(jìn)行結(jié)構(gòu)構(gòu)件的強(qiáng)度設(shè)計(jì)和驗(yàn)算,然后進(jìn)行結(jié)構(gòu)的延性設(shè)計(jì),使得結(jié)構(gòu)的延性能力高于和強(qiáng)度折減系數(shù)相應(yīng)的延性需求值。新西蘭學(xué)者Paulay提出的能力設(shè)計(jì)思想(Capacity Design Philosophy)對(duì)于橋梁的延性設(shè)計(jì)具有重要的理論意義,這一思想的基本概念為:合理地選擇塑性鉸預(yù)期出現(xiàn)的位置,并通過延性設(shè)計(jì)確保塑性鉸的塑性轉(zhuǎn)動(dòng)能力,同時(shí)延性構(gòu)件(如橋墩)和能力保護(hù)構(gòu)件(如上部結(jié)構(gòu)和基礎(chǔ))之間應(yīng)具有不同的強(qiáng)度等級(jí),以保證預(yù)先選擇的耗能機(jī)制能夠發(fā)揮作用,并確保能力保護(hù)構(gòu)件處于彈性反應(yīng)范圍。

由于結(jié)構(gòu)進(jìn)入彈塑性階段后,強(qiáng)度指標(biāo)已經(jīng)無(wú)法用來(lái)評(píng)價(jià)結(jié)構(gòu)的破壞狀態(tài),同時(shí),強(qiáng)度折減系數(shù)僅僅反映了對(duì)結(jié)構(gòu)整體的延性要求,無(wú)法反映對(duì)各個(gè)構(gòu)件的變形能力要求,因此基于強(qiáng)度的設(shè)計(jì)方法不能很好地實(shí)現(xiàn)基于性能的抗震設(shè)計(jì)思想。但橋梁在小震作用下一般要求保持彈性反應(yīng)狀態(tài),對(duì)于這一階段強(qiáng)度設(shè)計(jì)是可以適用的。

3.2 基于位移的抗震設(shè)計(jì)方法

在強(qiáng)震作用下,結(jié)構(gòu)的位移指標(biāo)比強(qiáng)度更能直接反映結(jié)構(gòu)的真實(shí)破壞狀態(tài),因此20世紀(jì)90年代以來(lái),基于位移的抗震設(shè)計(jì)方法(Displacement-Based Seismic Design,簡(jiǎn)稱 DBSD)引起了各國(guó)學(xué)者的普遍重視,是實(shí)現(xiàn)基于性能的抗震設(shè)計(jì)思想的理想方法?；谖灰频脑O(shè)計(jì)是一種在設(shè)計(jì)過程中以位移為前提的抗震設(shè)計(jì)方法,在基于位移的設(shè)計(jì)方法中,強(qiáng)度和剛度是設(shè)計(jì)的最終結(jié)果,而不是初始的設(shè)計(jì)目標(biāo)。

3.3 基于能量的抗震設(shè)計(jì)方法

結(jié)構(gòu)在地震中的動(dòng)力反應(yīng)是一個(gè)耗散地震輸入能量的過程。1956年Housner最早提出能量分析概念,并研究了單自由度體系在地震作用下的極限設(shè)計(jì),其后有研究者用能量譜來(lái)研究結(jié)構(gòu)的彈塑性位移反應(yīng),提出了各種能量譜,如總輸入能量譜、滯回耗能譜、等效速度譜及吸收能量譜等等。L.P.Yc(葉列平)等人研究了基于能量概念的彈塑性最大位移反應(yīng),對(duì)Newmark等人提出的等位移準(zhǔn)則和等能量準(zhǔn)則提出了理論解釋。但當(dāng)前基于能量設(shè)計(jì)方法還不成熟,還需要開展大量的研究。

3.4 基于損傷性能的抗震設(shè)計(jì)方法

對(duì)結(jié)構(gòu)在地震作用下破壞準(zhǔn)則的研究在20世紀(jì)80年代獲得了新的進(jìn)展,研究重點(diǎn)從鋼結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)向到量大面廣的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu),人們普遍注意到了地震作用下結(jié)構(gòu)的剛度、強(qiáng)度和滯回耗能的退化以及變形和能耗(疲勞)之間的相互影響。國(guó)內(nèi)外學(xué)者根據(jù)試驗(yàn)及理論分析已經(jīng)發(fā)展了許多地震破壞損傷模型,使用損傷指數(shù)定量描述延性、滯回耗能等因素對(duì)結(jié)構(gòu)破壞狀態(tài)的影響,越來(lái)越多地在結(jié)構(gòu)損傷評(píng)估、地震加固評(píng)估中得到使用。

4 基于性能的抗震設(shè)計(jì)的研究難點(diǎn)

在采用基于性能抗震設(shè)計(jì)思想制定建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范時(shí),一個(gè)首要的問題是目標(biāo)性能水平的劃分與確定?；谛阅芸拐鹪O(shè)計(jì)要求實(shí)現(xiàn)多級(jí)設(shè)防,也就是在不同水平地震作用下,結(jié)構(gòu)有明確的性能水平。通常采用結(jié)構(gòu)變形來(lái)表示結(jié)構(gòu)性能?？紤]到地震作用和結(jié)構(gòu)材料等不確定性因素,使得結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)既定性能也是不確定的,故為了合理的確定結(jié)構(gòu)目標(biāo)性能水平,就應(yīng)該考慮這些不確定因素,這在以前的研究中也提到了這一點(diǎn)。而怎樣合理的確定這個(gè)目標(biāo)水平,目前比較認(rèn)可的方法是采用“投資—效益”準(zhǔn)則來(lái)確定結(jié)構(gòu)目標(biāo)性能水平,使得在社會(huì)經(jīng)濟(jì)允許的情況下,在建筑物整個(gè)生命周期內(nèi),總的費(fèi)用達(dá)到最小。

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