河南省城市規(guī)劃設(shè)計(jì)研究總院有限公司 夏 磊

開(kāi)封建業(yè)森林半島置業(yè)有限公司 馬冰冰

基于性能的結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)研

河南省城市規(guī)劃設(shè)計(jì)研究總院有限公司 夏 磊

開(kāi)封建業(yè)森林半島置業(yè)有限公司 馬冰冰

基于性能的抗震設(shè)計(jì)是指以建筑物整個(gè)生命周期的抗震性能和經(jīng)濟(jì)指標(biāo)為主要設(shè)計(jì)目標(biāo)，使結(jié)構(gòu)在遭受不同規(guī)模的地震時(shí)，結(jié)構(gòu)性能可以達(dá)到預(yù)期設(shè)計(jì)要求，結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)得到有效控制，從而降低地震災(zāi)害程度，確保建筑的預(yù)期功能。從本質(zhì)上說(shuō)，基于性能的結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)就是“投資—效益”準(zhǔn)則下結(jié)構(gòu)“共性”和“個(gè)性”的基于可靠度的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)過(guò)程。本文，筆者綜述了基于性能的結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)方法，介紹了目前國(guó)內(nèi)外地震工程界對(duì)基于性能的結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)開(kāi)展的研究工作。

一、基于性能的結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)方法

基于性能的抗震設(shè)計(jì)方法目前主要有3種：承載力設(shè)計(jì)方法、位移設(shè)計(jì)方法和能量設(shè)計(jì)方法。

1.承載力設(shè)計(jì)方法。承載力設(shè)計(jì)方法是目前各國(guó)規(guī)范所普遍采用的方法，基于承載力設(shè)計(jì)方法又可分為靜力法和反應(yīng)譜法。靜力法產(chǎn)生于20世紀(jì)初期，是最早的結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)方法。上世紀(jì)初前后日本濃尾、美國(guó)舊金山和意大利Messina的幾次大地震中，人們注意到地震產(chǎn)生的水平慣性力對(duì)結(jié)構(gòu)的破壞作用，提出把地震作用看成作用在建筑物上的一個(gè)總水平力，該水平力取建筑物總重量乘以一個(gè)地震系數(shù)。用現(xiàn)在的結(jié)構(gòu)抗震知識(shí)來(lái)考察，靜力法沒(méi)有考慮結(jié)構(gòu)的動(dòng)力效應(yīng)，即認(rèn)為結(jié)構(gòu)在地震作用下，隨地基做整體水平剛體移動(dòng)，其運(yùn)動(dòng)加速度等于地面運(yùn)動(dòng)加速度，由此產(chǎn)生的水平慣性力，即建筑物重量與地震系數(shù)的乘積，并沿建筑物高度均勻分布。考慮到不同地區(qū)地震強(qiáng)度的差別，設(shè)計(jì)中取用的地面運(yùn)動(dòng)加速度按不同地震烈度分別給出。根據(jù)結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)的觀點(diǎn)，地震作用下結(jié)構(gòu)的動(dòng)力效應(yīng)，即結(jié)構(gòu)上質(zhì)點(diǎn)的地震反加速度不同于地面運(yùn)動(dòng)加速度，而是與結(jié)構(gòu)自振周期和阻尼比等有關(guān)。采用動(dòng)力學(xué)方法可以求得不同周期單自由度彈性體系質(zhì)點(diǎn)的加速度反應(yīng)。以地震加速度反應(yīng)為坐標(biāo)，以體系的自振周期為橫坐標(biāo)，所得到的關(guān)系曲線稱為地震加速度反應(yīng)譜，用來(lái)計(jì)算地震引起的結(jié)構(gòu)上的水平慣性力更為合理，即反應(yīng)譜法。對(duì)于多自由度系，可以采用振型分解組合方法來(lái)確定地震作用。

2.位移設(shè)計(jì)方法?；谖灰?性能的抗震設(shè)計(jì)方法是近些年來(lái)隨著人們對(duì)結(jié)構(gòu)抗震認(rèn)識(shí)的深入而產(chǎn)生的。根據(jù)設(shè)計(jì)思路的不同，基于位移的抗震設(shè)計(jì)可以分為：直接基于位移的設(shè)計(jì)方法、能力譜方法和按延性系數(shù)設(shè)計(jì)的方法。

（1）直接基于位移的設(shè)計(jì)方法。該方法是先假定結(jié)構(gòu)的整體側(cè)移模式，并按照結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)方法將實(shí)際的多自由度體系轉(zhuǎn)化為等效單自由度體系，確定等效單自由度體系結(jié)構(gòu)的彈塑性地震位移反應(yīng)，再根據(jù)側(cè)移模式反算出原多自由度體系各樓層的彈塑性地震位移反應(yīng)，驗(yàn)算其是否符合限值要求。該抗震設(shè)計(jì)方法直接用位移指標(biāo)衡量結(jié)構(gòu)的性能，比較直觀，計(jì)算方法也較為簡(jiǎn)單，便于設(shè)計(jì)中應(yīng)用。但是，該方法中控制結(jié)構(gòu)性能的因素比較復(fù)雜，比如一般認(rèn)為在小震下強(qiáng)度是控制結(jié)構(gòu)性能的主要因素，但是單用位移指標(biāo)來(lái)進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可能不夠全面。另外，設(shè)計(jì)過(guò)程中側(cè)移模式的選取、等效單自由度體系的轉(zhuǎn)化、各性能目標(biāo)限值的確定以及高振型影響的忽略等等，都直接或間接地影響了該方法的精確性，所以該方法仍需要進(jìn)行更深入地研究。

（2）能力譜方法。能力譜方法最初是由Freeman等人在1975年美國(guó)海軍工程項(xiàng)目簡(jiǎn)化評(píng)估時(shí)提出來(lái)的，后經(jīng)許多學(xué)者不斷改進(jìn)而來(lái)的方法。該方法是通過(guò)將地震反應(yīng)譜曲線和結(jié)構(gòu)能力譜曲線轉(zhuǎn)換成相同的格式，求得兩個(gè)曲線相交點(diǎn)（稱作性能點(diǎn)）的位移（稱作目標(biāo)位移），或者采用圖示的方法直觀地評(píng)估結(jié)構(gòu)在給定地震作用下的性能。能力譜法的實(shí)質(zhì)是目前采用的基于力的設(shè)計(jì)方法加位移、變形的校核。雖然能力譜法沒(méi)有嚴(yán)密的理論論證，但由于該方法運(yùn)用圖形對(duì)比結(jié)構(gòu)的能力和地震地面運(yùn)動(dòng)對(duì)結(jié)構(gòu)的需求，能夠比較直觀地評(píng)價(jià)結(jié)構(gòu)在地震作用下的表現(xiàn)，所以該方法目前仍然被許多國(guó)家運(yùn)用，如《日本建筑標(biāo)準(zhǔn)法》和美國(guó)的ATC—40都采用能力譜法作為基于性能的抗震設(shè)計(jì)。

（3）按延性系數(shù)設(shè)計(jì)的方法。一般建筑物都按照承受小于在彈性反應(yīng)結(jié)構(gòu)上產(chǎn)生的水平地震作用來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)，這意味著這樣的結(jié)構(gòu)將會(huì)出現(xiàn)非線性變形，進(jìn)而產(chǎn)生延性反應(yīng)。一個(gè)結(jié)構(gòu)所具備的良好延性有助于減小地震作用、吸收和耗散地震能量，避免結(jié)構(gòu)倒塌。按延性系數(shù)設(shè)計(jì)的方法就是要考察結(jié)構(gòu)屈服以后的延性反應(yīng)過(guò)程，研究鋼筋混凝土構(gòu)件與結(jié)構(gòu)的延性問(wèn)題。在新西蘭等國(guó)家得到廣泛運(yùn)用的按延性系數(shù)設(shè)計(jì)方法的實(shí)質(zhì)是通過(guò)建立構(gòu)件的位移延性系數(shù)或截面曲率延性系數(shù)與塑性鉸區(qū)混凝土極限壓應(yīng)變的關(guān)系，由約束箍筋來(lái)保證核心混凝土能夠達(dá)到所要求的極限壓應(yīng)變，從而使構(gòu)件具有要求的延性系數(shù)。按延性系數(shù)設(shè)計(jì)的方法可分為4個(gè)基本步驟：一是進(jìn)行結(jié)構(gòu)小震下承載力計(jì)算，求出截面內(nèi)力以及配筋。二是根據(jù)大震和經(jīng)強(qiáng)度驗(yàn)算選定的截面、配筋所得的結(jié)構(gòu)實(shí)際強(qiáng)度，求出結(jié)構(gòu)整體需要的位移延性系數(shù)。三是根據(jù)結(jié)構(gòu)位移延性系數(shù)位移延性系數(shù)和結(jié)構(gòu)體系的塑性變形機(jī)制，確定構(gòu)件的延性需求，計(jì)算臨界截面需要的曲率延性系數(shù)。值得注意的是，不同的變形機(jī)制，其結(jié)構(gòu)和構(gòu)件間的延性關(guān)系也不同。四是通過(guò)與塑性鉸區(qū)混凝土極限壓應(yīng)變的關(guān)系，確定箍筋，進(jìn)行截面的延性設(shè)計(jì)。按延性系數(shù)設(shè)計(jì)的方法側(cè)重構(gòu)造措施在結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)中的作用，對(duì)構(gòu)造措施進(jìn)行定量分析，并試圖建立一個(gè)明確的塑性變形機(jī)構(gòu)，使建筑物在遭遇地震時(shí)按照預(yù)定的塑性變形方式進(jìn)行反應(yīng)。但按照該方法要真正實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)具體的抗震性能目標(biāo)還需要繼續(xù)進(jìn)行更詳細(xì)深入的研究工作。

3.能量設(shè)計(jì)方法。能量分析的概念在1956年由Housner提出后，人們對(duì)它的研究一直在進(jìn)行，但由于受技術(shù)手段的限制，多年來(lái)主要集中在概念的討論和單自由度結(jié)構(gòu)的計(jì)算分析方面。直到20世紀(jì)70年代末和80年代初，隨著實(shí)際地震數(shù)字化記錄、震害觀測(cè)資料和結(jié)構(gòu)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的大量積累，人們才清楚地認(rèn)識(shí)到結(jié)構(gòu)的能量反應(yīng)在評(píng)價(jià)地面運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度和結(jié)構(gòu)破壞程度中的重要作用。尤其是隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)非線性時(shí)程分析方法的廣泛應(yīng)用，使人們具備了深入系統(tǒng)地進(jìn)行結(jié)構(gòu)動(dòng)力彈塑性能量反應(yīng)分析的條件，能量分析方法的研究自此也進(jìn)入了新的時(shí)期。

在建立的能量方程中，結(jié)構(gòu)的阻尼耗能和滯回耗能隨時(shí)間單調(diào)增加，在地震結(jié)束時(shí)取得最大值。滯回耗能是最具有工程意義的能量反應(yīng)指標(biāo)，它能很好地反映強(qiáng)震持續(xù)時(shí)間對(duì)結(jié)構(gòu)的影響，實(shí)踐中主要利用它來(lái)衡量結(jié)構(gòu)的塑性累積損傷。當(dāng)結(jié)構(gòu)進(jìn)入塑性階段以后，動(dòng)能和彈性應(yīng)變能在總耗能中所占的比例很小，而地震輸入給結(jié)構(gòu)的能量主要依靠結(jié)構(gòu)的非彈性變形和阻尼來(lái)耗散?？梢赃@樣認(rèn)為，阻尼耗能及體系的塑性變形能和滯回耗能能力決定了結(jié)構(gòu)的抗震能力，也即如果體系阻尼耗能及滯回耗能能力大于地震輸入能量，即可保證結(jié)構(gòu)的抗震性能，從而防止結(jié)構(gòu)在地震作用下的倒塌。

二、目前國(guó)內(nèi)外開(kāi)展的一些研究工作

1.多級(jí)性能水準(zhǔn)的確定與統(tǒng)一。生命安全水準(zhǔn)、結(jié)構(gòu)損傷水準(zhǔn)和確保使用功能水準(zhǔn)為當(dāng)前規(guī)范普遍接受的3級(jí)性能水準(zhǔn)。生命安全水準(zhǔn)要求建筑在罕遇地震作用下不倒塌，結(jié)構(gòu)損傷水準(zhǔn)要求建筑損傷控制在可修復(fù)的范圍內(nèi)，確保使用功能水準(zhǔn)要求結(jié)構(gòu)不產(chǎn)生影響建筑直接使用的變形等?；谛阅艿慕Y(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)要求細(xì)化這3級(jí)性能水準(zhǔn)并建立相應(yīng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)準(zhǔn)則。

2.多級(jí)地震設(shè)防水準(zhǔn)的確定與統(tǒng)一。當(dāng)前規(guī)范普遍采用3級(jí)性能水準(zhǔn)所對(duì)應(yīng)的最高設(shè)防水準(zhǔn)。在建筑使用期內(nèi)遭遇一次地震危險(xiǎn)的水準(zhǔn)和可能遭受多次地震危險(xiǎn)的水準(zhǔn)3級(jí)地震設(shè)防水準(zhǔn)?；谛阅艿慕Y(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)同樣要求細(xì)化這3級(jí)地震設(shè)防水準(zhǔn)。

3.可行的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析方法。要求建立適用于在多級(jí)水準(zhǔn)地震作用下實(shí)現(xiàn)多級(jí)性能水準(zhǔn)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析方法。

4.結(jié)構(gòu)安全性評(píng)估方法的完善。當(dāng)前由靜力推覆分析方法和能力譜分析方法結(jié)合形成的靜力彈塑性方法被普遍用來(lái)評(píng)估罕遇地震作用下建筑的抗震性能?；谛阅艿目拐鹧芯渴且粋€(gè)非常龐大和復(fù)雜的問(wèn)題，就目前的發(fā)展水平而言，還存在許多問(wèn)題需要進(jìn)一步研究解決。在結(jié)構(gòu)性能方面，雖然提出了不同性能水平，但只是對(duì)結(jié)構(gòu)和非結(jié)構(gòu)性能的破壞程度的描述，對(duì)結(jié)構(gòu)“不壞、可修、不倒”定義模糊，未給出明確的量化指標(biāo)。在結(jié)構(gòu)多級(jí)性能目標(biāo)方面，還需要進(jìn)一步考慮建筑場(chǎng)地特征和近震的影響，以及設(shè)防水平與震后重建時(shí)間、費(fèi)用之間的定量關(guān)系。對(duì)于高層建筑或沿高度側(cè)向剛度有變化的建筑，采用何種目標(biāo)側(cè)移曲線，側(cè)向力分布模式是否考慮高階振型的影響，都需要作進(jìn)一步深入的研究。以及如何針對(duì)復(fù)雜的混合塑性鉸分布破壞機(jī)制建立位移延性和曲率延性的轉(zhuǎn)化關(guān)系，從而獲得結(jié)構(gòu)曲率延性需求，也有待進(jìn)一步研究。