王東波 劉滿紅

(太原理工大學建筑與土木工程學院，山西太原 030024)

1 概述

基于性能的抗震設(shè)計理論是20世紀90年代初由美國學者提出，旨在使結(jié)構(gòu)在未來的地震災(zāi)害下能夠維持一定的性能水平。是一種更合理的設(shè)計理念，將是未來結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計的發(fā)展方向，目前已引起了各國的廣泛重視。

日本在1995年開始進行了“建筑結(jié)構(gòu)的新設(shè)計框架開發(fā)”項目研究，為期3年，并總結(jié)了研究成果。在此基礎(chǔ)上實施了新的基于性能的建筑基準法。

中國建筑科學研究院工程抗震研究所聯(lián)合國內(nèi)部分高校和研究所開展了“我國2000年工程抗震設(shè)計模式規(guī)范”的研究，并在《建筑結(jié)構(gòu)學報》中介紹了研究成果。目前正在修訂的國家標準《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》擬納入基于性能的抗震設(shè)計方法。

2 基于性能的抗震設(shè)計的基本概念及設(shè)計方法

2.1 基于性能的抗震設(shè)計的基本概念

我國抗震設(shè)計規(guī)范提出“三水準，兩設(shè)防”的設(shè)計方法。地震設(shè)防水準是指在未來一段時間內(nèi)可能作用于場地的地震作用的大小，或者說，應(yīng)選擇多大強度的地震作為防御的對象。中國地震風險水平見表1。

表1 中國地震風險水平

對應(yīng)的“小震不壞，中震可修，大震不倒”三水準，相應(yīng)的地震最大影響系數(shù)的比值1∶2.8∶(4.5～6)。這種設(shè)計方法雖然在大震情況下不至于倒塌，避免了人們的生命安全的損失，但是結(jié)構(gòu)倒塌造成的各種經(jīng)濟損失以及重新修復等措施，會給社會災(zāi)后重建帶來更重的負擔。而改進這種抗震設(shè)計方法使損失降至可控范圍，這就需要對結(jié)構(gòu)進行基于性能的抗震設(shè)計。

2.2 基于性能的抗震設(shè)計方法

1)承載力設(shè)計方法。承載力設(shè)計方法是在實際工程應(yīng)用中比較常見的一種設(shè)計方法，通過非線性靜力分析(Push-over)進行設(shè)計驗算，可以對結(jié)構(gòu)非線性變形進行控制，并能達到預(yù)期的性能目標，但是對于結(jié)構(gòu)進入彈塑性階段時，該方法需要對結(jié)構(gòu)進行折減，故在一定程度上失真。

2)基于位移進行抗震的設(shè)計方法。將位移作為整個結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計的起點，假定位移或?qū)娱g位移是抗震性能的控制因素，以位移作為設(shè)計變量。根據(jù)預(yù)期位移計算地震作用，進行結(jié)構(gòu)設(shè)計，使構(gòu)件達到預(yù)期的變形，結(jié)構(gòu)達到預(yù)期的位移。

結(jié)構(gòu)的側(cè)移形狀按滿足性能水平的層間側(cè)移角來控制。直接基于位移的抗震設(shè)計方法僅考慮了結(jié)構(gòu)第1振型，僅對中低層建筑結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計適用，對于高層及復雜結(jié)構(gòu)會產(chǎn)生較大誤差。

3)能力譜法?；舅枷?在同一圖上繪制兩條譜曲線，一條是將力—位移曲線轉(zhuǎn)化為能力譜曲線，另一條為將加速度反應(yīng)譜轉(zhuǎn)化為需求譜曲線，兩條曲線的交點為“目標位移點”，亦稱“性能點”。建立能力曲線和需求曲線是能力譜法的關(guān)鍵。其交點對應(yīng)的位移為等效單自由度體系的等效位移，再將其轉(zhuǎn)化為原結(jié)構(gòu)的頂點位移，即“目標位移”。

4)基于位移延性系數(shù)的設(shè)計方法。也稱作截面變形能力設(shè)計方法，是根據(jù)對截面的屈服曲率確定位移延性比需求，從而計算出需達到的曲率延性比。

3 實際工程中的應(yīng)用

本文對結(jié)構(gòu)的非線性分析，采用彈塑性靜力或彈塑性動力分析方法，而動力分析中合理的選取地震波比較困難，故實際應(yīng)用中彈塑性靜力分析(Push-over)被廣泛應(yīng)用。

彈塑性靜力分析方法可以通過對需求譜曲線與能力譜曲線的交點，也就是性能點來參考結(jié)構(gòu)在地震作用下的效應(yīng)，分析的結(jié)果主要根據(jù)性能點處所對應(yīng)的結(jié)構(gòu)變形，如層間位移角是否滿足抗震設(shè)計規(guī)范規(guī)定的層間位移角限值、梁柱的塑性鉸出現(xiàn)塑性變形是否超出某一水準下地變形要求等。

4 結(jié)語

基于性能的抗震設(shè)計是以結(jié)構(gòu)抗震性能分析為基礎(chǔ)的，使結(jié)構(gòu)在未來不同的抗震等級的地震作用下達到預(yù)期的抗震性能目標，克服了基于承載力抗震設(shè)計不能預(yù)估結(jié)構(gòu)屈服后抗震性能的缺陷。但基于性能的抗震設(shè)計仍存在一些問題，有待于今后工作中作進一步研究。

[1]葉燎原，潘 文.結(jié)構(gòu)靜力彈塑性分析(Pushover Analysis)的基本原理和計算實例[J].建筑學報，2000，2(1):37-43.

[2]汪大綏，賀軍利，張鳳新.靜力彈塑性分析(Pushover Analysis)的基本原理和計算實例[J].世界地震工程，2004，20(1):45-53.

[3]GB 50011-2010，建筑設(shè)計抗震規(guī)范[S].

[4]馬宏旺，呂西林.建筑結(jié)構(gòu)基于性能抗震設(shè)計的幾個問題[J].同濟大學學報(自然科學版)，2002，30(12):1429-1434.

[5]孫 俊，劉 錚，劉永芳.工程結(jié)構(gòu)基于性能的抗震設(shè)計方法研究[J].四川建筑科學研究，2005(3):107-108.