宋兆陽(yáng)　王灼　于洪權(quán)　白金羽

摘 要：本文簡(jiǎn)要介紹了基于性能的抗震設(shè)計(jì)方法在一些典型建筑結(jié)構(gòu)方面的應(yīng)用，并結(jié)合相關(guān)研究分析了各種方法的異同。

關(guān)鍵詞：性能；抗震；建筑結(jié)構(gòu)

基于性能的抗震設(shè)計(jì)理論是20世紀(jì)90年代初由美國(guó)學(xué)者提出，按此理論設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)在未來(lái)的地震災(zāi)害下能夠維持所要求的性能水平?；谛阅艿目拐鹪O(shè)計(jì)作為一種更合理的設(shè)計(jì)理念，代表了未來(lái)結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)的發(fā)展方向，引起了各國(guó)廣泛的重視。我國(guó)國(guó)家自然科學(xué)基金“八五”重大項(xiàng)目“城市與工程減災(zāi)基礎(chǔ)研究”的有關(guān)專(zhuān)題就開(kāi)始涉及到這方面的研究。國(guó)家自然科學(xué)基金“九五”重大項(xiàng)目“大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)體系的關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題和設(shè)計(jì)理論”的一些專(zhuān)題包含了這方面的部分內(nèi)容。中國(guó)建筑科學(xué)研究院工程抗震研究所聯(lián)合國(guó)內(nèi)部分高校和研究所開(kāi)展了“我國(guó)2000年工程抗震設(shè)計(jì)模式規(guī)范”的研究，并于2000年《建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報(bào)》第一期介紹了這方面的研究成果。

目前，基于性能的抗震設(shè)計(jì)思想已經(jīng)漸漸為許多建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)、施工、維護(hù)所采用。

一、大跨度懸臂桁架結(jié)構(gòu)

范峰等在研究了懸臂桁架結(jié)構(gòu)的強(qiáng)震失效機(jī)理的基礎(chǔ)上，詳細(xì)介紹了基于性能的抗震評(píng)估方法——增量動(dòng)力分析（Incremental Dynamic Analysis，IDA）的基本原理和具體實(shí)施步驟，闡述了IDA方法相關(guān)參數(shù)的確定原則，并利用該方法對(duì)懸臂桁架結(jié)構(gòu)進(jìn)行了有效的抗震性能評(píng)估，從概率的角度評(píng)價(jià)了懸臂桁架結(jié)構(gòu)在未來(lái)遭遇地震時(shí)的可靠性。

二、鋼筋混凝土高墩

李正英等根據(jù)鋼筋混凝土高墩的地震反應(yīng)特性，確定采用曲率延性系數(shù)作為性能參數(shù)，并給出橋墩在地震作用下曲率延性系數(shù)對(duì)應(yīng)各性能水準(zhǔn)的量化值。分別以位移延性系數(shù)、位移角限值以及曲率延性系數(shù)作為性能評(píng)價(jià)指標(biāo)，采用增量動(dòng)力分析法對(duì)橋墩進(jìn)行抗震性能研究。

三、橋梁結(jié)構(gòu)

鄒永旺，賀國(guó)京在分析方法的基礎(chǔ)上，應(yīng)用統(tǒng)計(jì)的強(qiáng)度折減系數(shù)模型，基于概率分析方法，應(yīng)用隨機(jī)地震作用模型考慮地震作用的隨機(jī)性，評(píng)估橋梁結(jié)構(gòu)在確定性烈度的地震作用下和年基準(zhǔn)期內(nèi)的抗震可靠度。

穆哲，楊光輝對(duì)紅旗村黃河大橋進(jìn)行了Pushover分析和抗震能力評(píng)估，最后分析了現(xiàn)有加載模式和非線性分析的差異。Pushover分析方法是一種用于預(yù)測(cè)地震動(dòng)作用下將復(fù)雜的動(dòng)力彈塑性問(wèn)題簡(jiǎn)化為靜力彈塑性問(wèn)題的近似方法，主要討論結(jié)構(gòu)在地震動(dòng)作用下所受到的變形和力。其基本原理是：在結(jié)構(gòu)分析模型上施加某種方式的荷載（如模態(tài)荷載、均勻荷載、倒三角形荷載等）來(lái)模擬地震水平慣性力。

抗震性能目標(biāo)規(guī)定為在給定設(shè)計(jì)地震動(dòng)水平下結(jié)構(gòu)超過(guò)規(guī)定的抗震性能水平的條件概率，以期解決我國(guó)公路橋梁的抗震設(shè)防目標(biāo)長(zhǎng)期沒(méi)有規(guī)定預(yù)期的可靠度的問(wèn)題；采用一次二階矩法，建立基于需求能力系數(shù)的抗震性能設(shè)計(jì)的極限狀態(tài)方程，該方程同時(shí)考慮結(jié)構(gòu)地震需求和抗震能力的不確定性。

四、RC框架結(jié)構(gòu)

崔雙雙，呂大剛采用靜力能力譜方法、動(dòng)力能力譜方法和時(shí)程分析方法，對(duì)所設(shè)計(jì)的RC框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，研究不同強(qiáng)度需求譜作用下結(jié)構(gòu)整體抗震性能系數(shù)的需求值。針對(duì)“側(cè)向連續(xù)倒塌”失效模式，采用基于備用荷載路徑的Pushover方法、靜力能力譜方法、IDA方法和位移需求能力系數(shù)法，分別從強(qiáng)度、耗能以及變形的角度，對(duì)所設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的抗側(cè)向連續(xù)倒塌能力進(jìn)行研究，并將基于承載力的魯棒性指標(biāo)分別拓展到基于譜加速度和變形的魯棒性指標(biāo)。針對(duì)“豎向連續(xù)倒塌”失效模式，采用考慮構(gòu)件失效加載方案的Pushdown分析方法和考慮構(gòu)件失效時(shí)長(zhǎng)的豎向IDA分析方法，分析損傷結(jié)構(gòu)在初始屈服狀態(tài)、整體屈服狀態(tài)和承載能力極限狀態(tài)時(shí)的抗豎向連續(xù)倒塌能力，并得到其相應(yīng)的抗豎向連續(xù)倒塌魯棒性指標(biāo)。

楊偉，歐進(jìn)萍等在基于性能的抗震設(shè)計(jì)理論研究的基礎(chǔ)上，針對(duì)Park&Ang提出的雙參數(shù)損傷模型，首先研究了其簡(jiǎn)化的計(jì)算方法；在已有的“規(guī)范設(shè)計(jì)+損傷驗(yàn)算”的損傷設(shè)計(jì)理論基礎(chǔ)上（這種損傷性能設(shè)計(jì)方法是將規(guī)范設(shè)計(jì)方法中的彈塑性變形驗(yàn)算改為損傷性能驗(yàn)算），進(jìn)一步研究鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)直接基于損傷性能的抗震設(shè)計(jì)方法。研究了基于Park&Ang損傷模型的彈塑性反應(yīng)譜（“損傷譜”，損傷譜綜合考慮了結(jié)構(gòu)最大位移反應(yīng)和結(jié)構(gòu)累積滯回耗能的耦合作用）。

馬倩等針對(duì)傳統(tǒng)能力譜法以基本振型為振動(dòng)控制向量的缺陷，研究了高階振型對(duì)結(jié)構(gòu)動(dòng)力反應(yīng)的影響，詳細(xì)推導(dǎo)了考慮高階振型影響的結(jié)構(gòu)動(dòng)力方程；對(duì)鋼筋混凝土框架進(jìn)行了模態(tài)能力譜分析（簡(jiǎn)稱(chēng)MPA法）和時(shí)程分析，所得層間位移角曲線與倒三角、多振型樓層慣性力組合以及基本振型加載下的結(jié)果對(duì)比顯示，高階振型對(duì)高層結(jié)構(gòu)的動(dòng)力反應(yīng)影響明顯，采用模態(tài)能力譜法能有效提高結(jié)構(gòu)性能評(píng)價(jià)的精度。

五、火電廠主廠房框排架結(jié)構(gòu)

尹龍星等探討靜力彈塑性推覆（Pushover）分析方法在不規(guī)則結(jié)構(gòu)分析中的適用性，論證多維空間推覆方法和考慮高階振型對(duì)火電廠主廠房框排架結(jié)構(gòu)的影響。研究不同加載模式下結(jié)構(gòu)能力曲線和破壞模式的區(qū)別，并分析了不同狀態(tài)下結(jié)構(gòu)內(nèi)力、變形、塑性鉸分布與時(shí)程分析結(jié)果的差異。利用ATC40能力譜法和改進(jìn)能力譜法對(duì)框排架結(jié)構(gòu)進(jìn)行抗震性能評(píng)估，探討能力譜法用于不規(guī)則結(jié)構(gòu)時(shí)的可行性，同時(shí)對(duì)比分析兩種方法在評(píng)估過(guò)程中的優(yōu)缺點(diǎn)，給出不同狀況下的應(yīng)用建議?；谛阅艿目拐鹪O(shè)計(jì)是未來(lái)結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)的發(fā)展方向，基于損傷性能的抗震設(shè)計(jì)方法是其中重要的一部分內(nèi)容。

六、總結(jié)

目前在結(jié)構(gòu)中常用的基于性能的抗震設(shè)計(jì)分析方法主要包括：基于位移的設(shè)計(jì)方法、基于損傷性能的設(shè)計(jì)方法、基于能量的設(shè)計(jì)方法、綜合設(shè)計(jì)方法、基于可靠度的設(shè)計(jì)方法等，基于位移的抗震設(shè)計(jì)方法大致有控制延性的方法（能力設(shè)計(jì)方法）、能力譜法和直接基于位移法。另一說(shuō)法，目前在結(jié)構(gòu)中常用的基于性能的抗震設(shè)計(jì)分析方法主要包括基于靜力的分析方法、基于動(dòng)力的分析方法、能力設(shè)計(jì)方法、結(jié)構(gòu)易損性分析方法、綜合設(shè)計(jì)法?；陟o力的分析方法主要包括能力譜法、位移修正系數(shù)法、設(shè)計(jì)譜方法、適應(yīng)譜推覆分析方法（Pushover法）、模態(tài)推覆分析方法（模態(tài)Pushover法）以及Ay-Dy格式地震需求譜等。基于動(dòng)力的分析方法主要包括彈塑性時(shí)程分析法、增量動(dòng)力分析法（IDA）、蟻群優(yōu)化法等。（作者單位：大連理工大學(xué)建設(shè)工程學(xué)部）

參考文獻(xiàn)：

[1] 齊春玲，范峰.大跨度懸臂桁架結(jié)構(gòu)的強(qiáng)震失效機(jī)理及抗震性能評(píng)估研究[D].哈爾濱工業(yè)大學(xué)碩士論文，2010

[2] 李正英等.鋼筋混凝土高墩抗震性能評(píng)價(jià)指標(biāo)[J].重慶大學(xué)學(xué)報(bào)，2014，37（2）

[3] 鄒永旺，賀國(guó)京.基于概率Pushover的橋梁結(jié)構(gòu)抗震可靠性分析[D].中南林業(yè)科技大學(xué)碩士論文，2010

[4] 穆哲，楊光輝.紅旗村黃河大橋的抗震性能分析[D].長(zhǎng)安大學(xué)碩士論文，2012

[5] 崔雙雙，呂大剛.RC框架結(jié)構(gòu)整體抗震性能系數(shù)與綜合反應(yīng)修正系數(shù)研究[D].哈爾濱工業(yè)大學(xué)博士論文

[6] 楊偉，歐進(jìn)萍等.鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)損傷性能設(shè)計(jì)及整體抗震能力分析[D].哈爾濱工業(yè)大學(xué)博士論文，2010

[7] 夏堅(jiān)，楊偉等.鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)直接基于損傷性能的抗震設(shè)計(jì)方法[J].建筑結(jié)構(gòu)，2012

[8] 馬倩，閆月梅.混凝土框架結(jié)構(gòu)基于性能的抗震分析方法研究[D].西安科技大學(xué)碩士論文，2013

[9] 尹龍星，白國(guó)良.火電廠主廠房框排架結(jié)構(gòu)多維地震反應(yīng)分析與性能設(shè)計(jì)方法研究[D].西安建筑科技大學(xué)博士論文，2013