建筑结构基于性能的抗震设计理论及方法

黄鹤 王佳蕾

摘要：通过将现行抗震设计理论与文章所讨论的基于性能的抗震设计理论进行简单比较，为不断完善基于性能抗震设计理论并能广泛应用到各建筑领域，将地震所带来的各类损失与伤亡影响降到最低为目的。建筑结构基于性能的抗震设计理论是当今世界抗震设计的主流趋势，文章对该设计理论与方法加以阐述，介绍该理论的提出与发展概况，设计方法并加以简要综述。

关键词：抗震设计；基于性能；设计理论；设计方法；位移影响系数法；能力谱法；直接位移设计法

中图分类号：TU352 文献标识码：A 文章编号：1009-2374（2012）03-0050-02

近100年来，随着人们对地震的运动特征和反应特征的探索和认识逐步加深，人类科技水平不断提高，对于建筑结构的抗震设计及方法也在不断的完善。各类理论在通过地震的考验后逐渐发展、全面、多样化，其中基于性能的抗震设计理念是为当下各国所大力发展的。

一、建筑结构基于性能的抗震设计概况

（一）基于性能的抗震设计的提出

20世纪90年代初，美国学者首先提出了这项设计理论，以改进基于承载力的传统设计理念，用量化的抗震指标来控制建筑抗震性能，随即被各国所重视。该项设计理论基础是结构性能分析，根据用途和要求确定性能，使建筑物在面对不同的地震等级中达到预期抗震目标。

1995年，美国的放眼21世纪委员会提出了基于性能抗震设计的框架，此专项研究得到美国政府大力支持与资助，并进行了有前瞻性的多方面研究。此后，澳大利亚、日本、新西兰、英国、智利等国家也在多方资助下，为推进此专项研究，成立了各类委员会，包括评估、分析、协调、规范等，在对这项理论进行了大量的研究后，均提出和采用了力求达到国际一体化要求的一系列抗震设计理论。

我国在这项理论的研究上起步较晚，为了与国际规范同步，我国在与美国等在这项研究领域取得先进成果的国家进行学术交流、学习中，对这项理论进行专项研究并引入理论，许多中国高校也开展了专项研究，旨在不断发展和完善出符合我国国情的性能抗震设计理论，并取得了一定的研究成果。

（二）性能抗震设计理念的特点

通过对现行抗震设计理论的实践，可以对两者进行对比，以得到性能抗震设计理念的特点。

1．多级设防。相对于现行的三阶段设防目标（小震不坏、中震可修、大震不倒），性能抗震设计注重多级设防，保护非结构件与内部设施，后者的设计理念既保证使用者安全，又减轻业主和社会的经济损失与压力。

2．投资效益准则。性能抗震设计偏重于安全、经济等多方面。在安全与经济之间找到合理、平衡的切入点，确定最佳方案，以优化设计为目的。

3．自由度大。相比较传统抗震设计刻板的被动状态，性能抗震设计可根据业主的要求确定目标，给设计带来新的动力。

（三）性能抗震设计目标

目标为在不同地震等级的作用下，建筑物结构能达到预期所应达到的水平。最大程度的在经济与结构可靠性上找到合理的平衡点。建立设计目标需要考虑场地、结构所需功能、建筑重要性、损失与重建等各方面的因素。

（四）设计设防水准

1．地震设防水准。抗震设计设防对象所选择的地震强度，直接决定建筑物的抗震能力，如何确定设防水准在基于性能抗震设计中有决定性的地位。应取决于优化后的经验基础上来确定并根据地震参数及烈度作设防水准。

2．结构性能水准。地震等级作用下对建筑物预期破坏最大程度。除了对主体结构破坏带来的损失有控制力外，还要注重对非主体、内设施的损坏的控制。因此，能兼顾主体、非主体结构破坏程度的结构性能水准才是合理、科学的。

（五）现行抗震设计局限性

1．现行抗震设计很少对建筑结构在地震发生时的性能进行评估，只是按规范标准设计。

2．业主与使用者并不了解所使用的建筑结构的抗震性能。

3．经济评估准则并没有在建筑业中得到广泛应用。

（六）现行抗震设计理念存在问题

1．设计参数选择不当。我国现行抗震设计基于强度或承载力，但经实践表明建筑物结构的抗震不仅基于强度。

2．性能概念不明确。现行设计规范对多级设防的目标描述较模糊，业主追求最经济的方案，设计人员追求单纯的重力承载，基础未能处于科技的评价之上，导致面临地震时损失的加重。

3．损失控制不力。现行设计理念除了重视主体结构损坏造成损失外，对非主体结构、内部设施损坏所带来的损失容易忽视。

4．刻板的规范标准。设计者走不出以往设计规范标准的条框，约束了设计人员的主动性。

5．设计方法的欠缺。现行的设计方法偏于保守，限制了新技术的应用。

二、基于性能的抗震设计方法

（一）性能抗震设计阶段

1．概念设计。根据用途和业主的要求，合理确定设防目标，通过场地、建筑平面等进行初步设计。

2．计算设计。根据预定的设防目标，计算出能影响各类因素的抗震参数，参数与预定目标不符要及时修改，直至满足参数需求。以基于位移的抗震性能设计为例，主要包括步骤有确定不同强度地震作用下性能目标；根据初步设计，确定结构内的位移的极限值；通过等效阻尼比等各类等效数值，确定等效刚度；设计采用必需的构造措施；评价结构强度要求和变形能力。以严谨、科学、合理的态度进行评估，如计算阶段有不符合，则需重复计算设计步骤，以不断完善结构设计。

3．性能评估。通过各类的分析法得出设计结果来确定该建筑结构的性能。

（二）性能抗震设计方法

目前大致主要有：位移影响系数、能力谱、直接位移设计等方法。

1．位移影响系数法。基于结构性能设计方法，通过分析得出的最大期望位移值，利用等效方法、模态进行确定。以达到此系数的修正作用。此方法还存在着由于它是整体抗震评估方法，无法具体体现主要结构、楼层的损坏情况与抗震水准等问题。

2．能力谱法。1975年被提出，随后不断改进。能力谱设计是将能力谱曲线与地震反应谱转化而来的需求谱，进行比较来评估其抗震性能。此方法侧重对结构的实际性能进行验算、评估。另外，能力谱设计法比较适用于平面结构可简化且分布较均匀的结构，否将会产生不小的误差。

3．直接位移设计法。侧重于结构性能设计，概念简单，根据地震等级来预期位移计算，使结构达到预定位移。此方法也存在着只能从建筑结构材料的极限变化得到数值，而不能考虑到预期以外的强震效应的不足。

三、结语

建筑结构基于性能的抗震设计是比较宽泛的体系，它是现行抗震设计的延续与发展，以结构性能分析作为基础，建筑物的性能目标以全面、科学的因素来确定，使建筑物在面对不同等级的地震时，能达到预期的抗震目标。与传统抗震设计相比，优点明显：基于性能抗震相较于以往更系统化；性能抗震设计的适应性、连贯性更好，应用意义更大；灵活性的加大，使设计人员能发挥创造性，增加对新技术、新材料的推广应用等。性能抗震设计方法也需要解决一些设防水准数据化的划分，合理的参数取值范围介定等问题，才能更好的服务于社会经济建设，达到符合我国国情的设计规范。

参考文献

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[2] 王涛．基于性能抗震设计与常规抗震设计比较研究[J]．建筑与结构设计，2008，2（4）．

[3] 刘琳，刘震，赵杰，王佳萱．结构性能抗震设计理论及应用方法[J]．防灾减灾学报，2011，27（1）．

[4] 蒋建．基于性能抗震设计方法与基于承载力抗震设计方法比较研究[J]．结构工程师，2008，24（4）．

（责任编辑：赵秀娟）